Bosoiak eta fermioiak oso tenperatura baxuetan nahastean gertatzen diren efektu kuantikoak aztertu ditu UPV/EHUko ikertzaile batek
UPV/EHUko Eneko Malatsetxebarria fisikan doktoreak teorikoki aztertu ditu tenperatura oso baxuetan atomoetan gertatzen diren efektu kuantiko zenbait. Batetik, zehaztu du bosoi eta fermioi motatako atomoak nahas daitezkeela modu jakin batean. Hala, fisikari esperimentalei eskura jarri dizkie esperimentu horiek egiteko baldintzak. Eta, bestetik, ondorioztatu du kasu horretan fermioiek zer eragin izango luketen bosoietan.
Atomo hotzekin egiten diren esperimentuak oso garrantzitsuak dira fisika kuantikoan. Izan ere, efektu kuantikoak zuzenean behatzeko aukera ematen dute. Hain zuzen ere, simulagailu kuantiko deritze atomo hotzei, horregatik. Arlo horretan egin du tesia Eneko Malatsetxebarria fisikariak DIPCen eta Materialen Fisikako Zentroan. “Atomo hotzak oso tresna indartsua dira materia kondentsatuaren portaera ulertzeko”, dio Malatsetxebarriak. “Ez da garai batean bezala, efektu kuantikoak kutxa beltz batean gertatzen zen zerbait zirela; orain gai gara atomoak ia nahi bezala manipulatzeko eta efektu kuantikoak behatzeko”.
Hala ere, atomo hotzen esperimentuak ez dira nolanahikoak. Gas-atomo alkalinoak zero absolututik (-273,15 ºC) oso gertu jarriz gauzatzen dira eta, horretarako, laserrez eta tranpa magnetikoz osatutako ekipamendu eta teknika oso konplexuak behar dira. Eta hori guztia oso garestia da. “Gehienez, 30 izango dira mundu osoan esperimentu horiek maila gorenean egiten dituzten laborategiak”, dio Malatsetxebarriak.
Horregatik, arlo horretan, azterketa teorikoak egiteak berebiziko garrantzia hartzen du. Izan ere, fisika kuantikoaren tresna teorikoak erabiliz, esperimentuen oztopo teknikoen gainetik dauden eremuak azter daitezke, eta atomoen elkarrekintzen ondorioz ager daitezkeen efektu bereziak ulertu. Horretan aritu da azken urteotan Malatsetxebarria, Miguel Angel Cazalilla tesi-zuzendariarekin. Alemaniako eta Japoniako talde esperimentalekin harremanean egon dira, eta, haien lanean oinarrituz, esperimentu berriak egiteko bideak proposatu dituzte.
Lehenik, atomo bosonikoak eta fermionikoak zein baldintzatan nahas daitezkeen zehaztu dute. Efektu kuantikoak kontuan hartzen direnean, esan liteke oinarrizko partikulak bi motatakoak direla: bosoiak eta fermioiak. Baina atomoak horiez osaturik daudenez, konbinazioaren arabera, atomoak berak ere mota batekoak edo bestekoak izango dira, bosonikoak edo fermionikoak, eta, horren ondorioz, portaera kuantiko desberdina izango dute. Oso esperimentu gutxi egin dira orain arte bosoiak eta fermioiak nahasita. “Batzuetan, ura eta olioa modukoak dira, eta ez dira nahasten, eta, beste batzuetan, erakarpen indarra handiegia da, eta sistema kolapsatu egiten da”, dio Malatsetxebarriak. Physical Review aldizkari entzutetsuan argitaratutako artikulu batean erakutsi zuen zein baldintzatan nahas daitezkeen. Argitalpen horretan aztertutako sisteman, bosoiak dimentsio bakarrean jartzen dira, lerro batean dauden kanikak bezala, eta fermioiak, berriz, hiru dimentsiotan, hodei moduan. Geometria hori aukeratzea ez da zorizkoa, dimentsio batetik hirura pasatzean atomoen arteko elkarrekintza kualitatiboki ezberdina baita maila kuantikoan, eta, hori dela eta, talde esperimentalek ere garrantzi handia eman baitiete sistema horiek aztertzeari.
Fermioien eta bosoien arteko elkarrekintzak
Behin horri erreparatuta, fermioiek bosoietan zer eragin izango luketen ikustea izan zen hurrengo pausoa. Dimentsio bakarrean dauden bosoiak hodi batean sartuta dauden kanikak moduan irudikatzen baditugu, bi gauza gerta daitezke. Kasu batean, kanikek ez dute aukerarik mugitzeko. Gehienez ere pixka bat bibratu, albokoari jo, eta berriz bere lekuan geldituko lirateke. Horri isolatzaile-egoera deitzen zaio. “Elektrizitatearekin gertatzen den bezala da: korrontea duzu elektroiak mugitzen badira, eta ezin badira mugitu, isolatzaile bat daukazu. Hemen gauza bera dugu, baina atomoekin”, azaltzen du Malatsetxebarriak. Baina, intuizioaren kontra doan zerbait ere gerta daiteke: “posible da atomoek batetik bestera salto egitea, eta fluido moduko bat sortzen da. Egoera horretan, ez dira bata bestearen ondoan dauden atomo solteak, baizik eta mugitzen den masa jariakor bat. Horri superjariakortasun deritzo”.
Dimentsio bakarrean, bi egoera horiek egon daitezke. Eta esperimentuetan lortu da, laserrak doituz, egoera batetik bestera pasatzea ere. Hain zuzen ere, trantsizio-fase hori aztertu dute UPV/EHUko ikertzaileek. “Ikusi nahi genuen fermioiak gehitzean mugako fase hori alde baterantz edo besterantz joaten zen; alegia, isolatzaile-fasea gailentzen ote zen, edo, alderantziz, superjariakortasuna handitzen”, dio Malatsetxebarriak.
Orain arte, horrelako sistemak aztertzeko, batez besteko eremuaren teoria izeneko metodoa erabili izan da; baina UPV/EHUko ikertzaileek ikusi zuten metodo hori ez zela nahikoa emaitza fidagarriak lortzeko. “Esaterako, bazeuden fermioiek bosoietan duten eragina aztertzen zuten bi artikulu, non metodo hori erabiliz kontrako emaitzak lortzen baitzituzten”, dio Malatsetxebarriak. “Guk beste teknika bat erabili genuen, konplexuagoa eta atzean matematika asko duena: birnormalizazio-taldeen teoria. Eta ikusi genuen fermioien efektu nagusia egoera superjariakorra handitzea zela”.
Fermioiak hiru dimentsiotan eta bosoiak bakarrean daudenean, hori gertatzen da. Solidoetan elektroiekin gertatzen den moduko screening edo pantailatzearen antzeko zerbait gertatuko litzateke, Malatsetxebarriaren ustez. “Solido-egoeran, atomoen nukleoen artean posible da elektroi-hodei bat egotea. Elektroiek karga negatiboa dutenez, eta nukleoek positiboa, bi nukleo horien arteko interakzioa ahultzen dute elektroiek. Antzeko zerbait gertatzen da hemen, guk badugu elkarrekintza bat bosoien artean, eta hori ahuldu egiten du fermioi-hodei batek; beraz, jariakortasuna handitzen da”.
Erreferentziak
E. Malatsetxebarria, F. M. Marchetti, and M. A. Cazalilla “Phase equilibrium of binary mixtures in mixed dimensions”. Phys. Rev. A 88, 033604
E. Malatsetxebarria, Zi Cai, U. Schollwoeck, M. A. Cazalilla “Dissipative Effects on the Superfluid to Insulator Transition in Mixed-dimensional Optical Lattices” arXiv:1305.1097