Investigadores de la Universidad
de Hamburgo y el Instituto de Ciencias Fotónicas han observado por primera vez
la dinámica colectiva del espín o giro de un tipo de partículas: los fermiones
ultrafríos con giros grandes.
Representación de la dinámica de cambio del espín o giro de un sistema
fermiónico de muchas partículas.
En muchos
sistemas de la naturaleza, el comportamiento colectivo juega un papel crucial.
En todos ellos, los objetos que participan se mueven, voluntariamente o no, de
forma sincronizada. Ahora un equipo de científicos europeos ha detectado el
mismo fenómeno en gases cuánticos a muy bajas temperaturas.
Investigadores
del Instituto de Física del Láser de la Universidad de Hamburgo (Alemania), en
colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), han observado por
primera vez la dinámica colectiva del espín de fermiones ultrafríos mediante el
análisis microscópico de las propiedades de estas partículas a través de sus
colisiones locales.
En el
micromundo cuántico las partículas se dividen en dos grupos: los bosones (como
los fotones) y los fermiones (como los electrones, protones y neutrones). La
diferencia entre ellas es básicamente su espín o momento angular intrínseco (giro):
el espín de los bosones es un número entero mientras que el de los fermiones es
semientero.
Los bosones
tienen la característica de comportarse colectivamente, agrupándose y
trasladándose de forma conjunta en el espacio. En cuanto a los fermiones, hasta
ahora no se sabía si estas partículas podían comportarse de la misma manera ya
que, al parecer, son partículas muy solitarias, que prefieren no mezclarse ni
relacionarse con las demás.
Pero ahora
los investigadores han podido observar que a temperaturas cercanas al cero
absoluto las propiedades individuales de los fermiones tienden a agruparse,
comportándose como una sola identidad en el espacio del espín.
Al enfriar un
gas atómico a temperaturas extremadamente bajas, los bosones presentan la
característica de que muchos de ellos pueden ocupar un mismo estado cuántico -
constituyen lo que se define como un condensado de Bose. Por el contrario, los
fermiones tienen la particularidad de ser singulares ya que un estado cuántico
solo puede estar ocupado por una y solo una partícula, según el principio de
exclusión de Pauli.
Por tanto,
para obtener fermiones ultrafríos, los investigadores lograron atrapar, mediante
el uso de una luz láser, un gas cuántico compuesto por átomos de potasio,
enfriarlo a temperaturas extremadamente bajas y preparar diferentes mezclas de
átomos con diferentes espines en campos magnéticos muy bajos para inducir
cambios de espín.
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