Observan la colisión de solitones en condensados de Bose-Einstein

Por Francisco R. Villatoro, el 21 julio, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science

Dibujo20140721 matter-wave soliton interactions - phase-dependent collisions - arxiv

Los solitones en estados condensados de Bose-Einstein se observaron por primera vez en 2002 usando átomos de litio, pero no se mostró que en colisiones mutuas recuperaran su forma previa. Ha costado 12 años, pero al final se ha logrado verificar este comportamiento predicho por la teoría.

Nadie dudaba de que algún día se lograría. Las aplicaciones potenciales son muchas, ya que cualquier dispositivo óptico basado en colisiones de solitones ópticos podrá inspirar otros en óptica coherente de átomos, interferometría atómica y láseres de átomos. El artículo técnico es Jason H.V. Nguyen et al., «Collisions of matter-wave solitons,» arXiv:1407.5087 [cond-mat.quant-gas], 18 Jul 2014. Sin lugar a dudas acabará publicado en Nature o Science.

Dibujo20140721 comparison between expansion of soliton and repulsive condensate - arxiv

Los solitones son ondas localizadas (como pulsos) que se propagan sin cambiar de forma y que recuperan su forma, amplitud y velocidad cuando interaccionan (colisionan) con otro solitón. Esta propiedad hace que los solitones se comporten como partículas, descubrimiento numérico de Zabusky y Kruskal en 1965, confirmado por la teoría de la integrabilidad pocos años más tarde.

Muchas ecuaciones de onda no lineales muestran solitones, como la ecuación no lineal de Schrödinger cúbica (NLSE), descubrimiento teórico de Zakharov y Shabat en 1972. Esta ecuación describe el comportamiento no lineal de pulsos en fibras ópticas (propuesta teórica de Hasegawa y Tappert en 1973). Mollenauer, Stolen y Gordon (Bell Labs, AT&T) los observaron en 1980. Pocos años más tarde se confirmó que en colisiones se comportaban como predecía la teoría.

Un condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia a muy baja temperatura en el que un gas de átomos se coloca en su nivel de energía más bajo, siendo todos ellos descritos por una única función de onda cuántica colectiva. Se observó por primera vez en 1995 por Cornell, Wieman y Ketterle al enfriar átomos de sodio a menos de una millonésima de Kelvin por encima del cero absoluto de temperaturas.

La ecuación no lineal de Schrödinger cúbica describe de forma semiclásica los condensados de Bose-Einstein si se añade un potencial que describa la trampa que atrapa a dichos átomos. Por ello en ellos se pueden observar solitones, llamados «solitones de materia» (matter-wave solitons) porque están formados por átomos. Se logró en el año 2002 y desde entonces se han estudiado sus propiedades tanto de forma teórica (mediante métodos numéricos) como experimental. Sin embargo, hasta ahora no se había podido observar sus colisiones mutuas.

Dibujo20140721 phase-dependent collisional dynamics - solitons in bec - arxiv

Como predice la teoría, el resultado de las colisiones entre solitones (brillantes) depende de su fase relativa y del número de átomos que los forman; ambos parámetros alteran las fuerzas entre ellos que pueden ser atractivas o repulsivas. En los nuevos experimentos se han utilizado átomos de litio-7, con lo que las fuerzas efectivas entre los solitones son atractivas. Por ello, para ciertas fases relativas los solitones se aniquilan entre sí (figura de la izquierda), se unen formando un único solitón (figura del centro), o se ponen a oscilar cruzándose múltiples veces (figura de la derecha).

En resumen, un resultado esperado, que no por ello deja de ser una gran noticia, que promete gran número de aplicaciones en láseres de átomos y óptica coherente de átomos. Quienes trabajamos en teoría de solitones estamos de enhorabuena.



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