Los físicos observan una falsa desintegración del vacío en un superfluido ferromagnético – Physics World

Los físicos observan una falsa desintegración del vacío en un superfluido ferromagnético – Physics World

Marca de tiempo: 12 de febrero de 2024 9:35 AM

Imagen del artista que muestra una mezcla de espín superfluida de átomos de sodio en un estado de vacío falso (azul) y su desintegración al estado de vacío verdadero (rojo)
Burbujeando: en el laboratorio de gases cuánticos de Trento, el equipo produjo una mezcla de espín superfluida de átomos de sodio en un falso estado de vacío (azul) y observó y estudió su desintegración al verdadero estado de vacío (rojo) mediante la formación de burbujas de espín. (Cortesía: G Lamporesi, A Recati y A Zenesini)

Físicos italianos han observado por primera vez un fenómeno conocido como desintegración del falso vacío. El trabajo, que se realizó en un superfluido ferromagnético, mejora nuestra comprensión de las transiciones de fase ferromagnéticas y podría arrojar más luz sobre la estabilidad del universo primitivo.

Algunos tipos de sistemas cuánticos tienen estados de vacío metaestables (falsos), así como un estado de vacío fundamental absoluto (verdadero). Estos estados representan diferentes configuraciones de un campo cuántico, y el campo puede decaer desde el estado de vacío falso al estado verdadero. Cuando esto sucede, se forman regiones macroscópicas localizadas de verdadero vacío (burbujas), rodeadas de parches de falso vacío.

“Este mecanismo se discutió originalmente en el contexto de la cosmología para estudiar la estabilidad de nuestro universo, que puede estar en una configuración estable o metaestable”, explica Gabriele Ferrari, físico de la Universidad de trento, Italia, quien codirigió el estudio junto con Giacomo Lamporesi, Alessio Recati y Alessandro Zenesini de las Centro Pitaevskii BEC, CNR-INO en Trento, Italia. "De hecho, se cree que la desintegración del vacío desempeña un papel importante en cómo se crearon el espacio, el tiempo y la materia en el Big Bang".

Burbujas generadas espontáneamente.

En el nuevo trabajo, el Centro Pitaevskii BEC El equipo utilizó átomos de sodio con un estado fundamental ferromagnético para explorar la falsa desintegración del vacío en un sistema cuántico de muchos cuerpos. El equipo preparó este sistema confinando los átomos en una trampa óptica y enfriándolos a menos de un microkelvin por encima del cero absoluto, donde forman un superfluido ferromagnético.

“Preparamos el sistema en un estado metaestable en el que el superfluido está polarizado en dirección opuesta al campo magnético aplicado”, explica Lamporesi. "Después de un tiempo, vimos que el sistema generaba burbujas espontáneamente en regiones macroscópicas alineadas con el campo magnético".

Trabajando con teóricos de la Universidad de Newcastle, Reino Unido, el equipo demostró además que estas burbujas eran, en palabras de Recati, "la primera evidencia experimental del mecanismo de falsa desintegración del vacío en un campo cuántico macroscópico".

Los investigadores continuaron midiendo la relación entre el tiempo promedio de desintegración de las burbujas y parámetros ajustables experimentalmente, como la diferencia de energía entre los estados de vacío verdadero y falso (que cambia con el campo magnético aplicado debido al efecto Zeeman). Descubrieron que pequeñas variaciones provocan grandes cambios en el tiempo de desintegración. "Nuestros resultados muestran una muy buena concordancia con las predicciones de un modelo de túnel (instanton) de la teoría de campo, confirmando así el origen falso de la decadencia del vacío de nuestro sistema", dice Lamporesi. Mundo de la física.

Un logro técnico

Los resultados de estos experimentos se describen en Física de la naturaleza, y Lamporesi destaca que obtenerlos fue un desafío técnico. Entre otros factores, el campo magnético externo debe ser extremadamente estable para preservar la coherencia de espín del sistema superfluido. Para lograr la estabilidad requerida, el equipo tuvo que instalar un escudo magnético alrededor del gas atómico ultrafrío, una tarea complicada, dado que necesitaban acceder al sistema con rayos láser para manipular los átomos.

Si bien los investigadores han analizado cuánto tiempo tardan en formarse las burbujas, este es solo el primer paso. Ahora planean investigar la dinámica de las burbujas en un entorno controlado para comprender la naturaleza del crecimiento de las burbujas.

“Otro paso importante será aumentar la dimensionalidad efectiva del sistema desde casi unidimensional, como en el presente estudio, donde el análisis teórico es más fácil, a bidimensional, donde aparecen fenómenos interesantes como colisiones y fusiones de burbujas. ”, dice Zenesini. “Muchas características de la nucleación y la dinámica de las burbujas se estudiaron teóricamente en el contexto de la cosmología, donde los experimentos aún no son accesibles. Sin embargo, también son muy relevantes para la comunidad de la materia condensada, ya que están asociados con la dinámica ferromagnética cuántica que se puede observar experimentalmente, como hemos demostrado en nuestro trabajo”.

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