Al igual que los diamantes con perfecta simetría pueden ser joyas inusualmente brillantes, el mundo cuántico tiene un esplendor simétrico de alto valor científico. Confirmando esta exótica teoría de la física cuántica, los físicos del JILA liderados por la teórica Ana Maria Rey y el experimentalista Jun Ye han observado la primera evidencia directa de la simetría en las propiedades magnéticas o nuclear "spins" -de átomos. El avance podría escindir beneficios prácticos tales como la capacidad para simular y comprender mejor materiales exóticos
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Al igual que los diamantes con perfecta simetría pueden ser joyas inusualmente brillantes, el mundo cuántico tiene un esplendor simétrico de alto valor científico.
Confirmando esta exótica teoría de la física cuántica, los físicos del JILA liderados por la teórica Ana Maria Rey y el experimentalista Jun Ye han observado la primera evidencia directa de la simetría en las propiedades magnéticas o nuclear "spins" -de átomos. El avance podría escindir beneficios prácticos tales como la capacidad para simular y comprender mejor materiales exóticos que exhiben fenómenos tales como la superconductividad (flujo eléctrico sin resistencia) y magneto-resistencia colosal (cambio drástico en el flujo eléctrico en presencia de un campo magnético).
El descubrimiento JILA, descrito en Science Express, * fue posible gracias a que el láser ultra-estable se utiliza para medir las propiedades de reloj atómico más preciso y estable del mundo. ** JILA es operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder.
"La simetría de espín tiene un impacto muy fuerte en la ciencia de materiales, ya que puede dar lugar a comportamientos inesperados en materia cuántica", dice JILA / NIST Fellow Jun Ye. "Debido a que nuestro reloj es tan bueno-en realidad es el láser el que es tan bueno podemos sondear esta interacción y su simetría subyacente, que está a una escala de energía muy pequeña."
La búsqueda global para documentar simetría cuántica examina si las propiedades fundamentales siguen siendo las mismas a pesar de varios intercambios, rotaciones o reflexiones. Por ejemplo, la materia y la antimateria demuestran la simetría fundamental: La antimateria se comporta en muchos aspectos, como la materia normal a pesar de tener las cargas de positrones y electrones invertidas.
Para detectar la simetría de giro, los investigadores JILA utilizan un reloj atómico hecho de 600 a 3.000 átomos de estroncio atrapados por la luz láser. Átomos de estroncio tienen 10 posibles configuraciones de spin nuclear (también conocida como el impulso angular), lo que influye en el comportamiento magnético. En una colección de átomos de reloj hay una distribución aleatoria de todos los 10 estados.
Los investigadores analizaron cómo las interacciones atómicas-sus colisiones- en los dos niveles de energía electrónicos utilizados cuando el reloj "hace tick" se vieron afectadas por el estado de espín de los núcleos de los átomos. En la mayoría de los átomos, los estados de espín electrónicos y nucleares están acoplados, por lo colisiones atómicas dependen de ambos estados electrónicos y nucleares. Pero en el estroncio, el equipo de JILA predijo y confirmó que este acoplamiento se desvanece, dando lugar a colisiones que son independientes de los estados de espín nuclear.
En el reloj, todos los átomos tienden a estar en estados electrónicos idénticos. Usando láseres y campos magnéticos para manipular los espines nucleares, los investigadores JILA han observado que, cuando dos átomos tienen diferentes estados de espín nuclear, no importa cuál de los 10 estados tengan, van a interactuar (chocan) con la misma fuerza. Sin embargo, cuando dos átomos tienen el mismo estado de espín nuclear, independientemente de lo que estado sea, van a interactuar mucho más débilmente.
"La simetría de espín aquí significa interacciones atómicas, en su nivel más básico, son independientes de sus estados de espín nucleares", explica Ye. "Sin embargo, la parte más intrigante es que mientras que el espín nuclear no participa directamente en el proceso de interacción electrónica mediada, todavía controla cómo se acercan átomos entre sí físicamente. Esto significa que, mediante el control de los espines nucleares de dos átomos si son el mismo o diferente, podemos controlar las interacciones, o colisiones ".
La nueva investigación se suma a la comprensión de las colisiones atómicas en los relojes atómicos documentados en estudios previos JILA. * Se planea realizar nuevas investigaciones para diseñar las condiciones de giro específicos para explorar nuevos dinámica cuántica de una gran colección de átomos.
La físico teórico del JILA Ana Maria Rey hizo predicciones clave y cálculos para el estudio. Los teóricos de la Universidad de Innsbruck en Austria y la Universidad de Delaware también contribuyeron. El financiamiento fue proporcionado por el NIST, la National Science Foundation, la Oficina de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa.