Investigadores de la UPC y del ICFO revelan la termodinámica de temperatura finita de un gas de Bose

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Recreación artística de un conjunto de bosones interactuando en una dimensión. Imagen de Laure Curci.

Un equipo de investigadores del Departamento de Física de la UPC y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) desarrollan una nueva teoría para explicar las propiedades de temperatura finita de los bosones en una dimensión. La investigación se ha publicado recientemente en la revista 'Physical Review Research' y abre la puerta a una comprensión en profundidad de la naturaleza microscópica de los gases de Bose, claves para el desarrollo de las futuras tecnologías cuánticas.

02/12/2019

Un sistema de partículas que se mueven en una dimensión puede parecer engañosamente simple, pero en realidad es un sistema extremadamente sofisticado por la compleja interacción del movimiento térmico, las colisiones y la estadística cuántica. Comprender las propiedades de los conjuntos de bosones con interacciones repulsivas de contacto es crucial tanto para la investigación fundamental como para el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas, superconductores de alta temperatura y ordenadores cuánticos. Sistemas similares se han realizado experimentalmente desde 2004 con gases atómicos ultrafríos.

A temperaturas muy bajas, la teoría del líquido de Luttinger proporciona una descripción unificada de los conjuntos bosónicos unidimensionales en términos de excitación fonònica con una dispersión lineal. A medida que la temperatura aumenta, esta imagen unificada se descompone. La exploración de momentos más elevados permite comprobar la importancia de la desviación del espectro del comportamiento lineal simple. Un problema que se ha mantenido abierto hasta ahora era la comprensión de los mecanismos microscópicos que gobiernan los diferentes comportamientos termodinámicos para interacciones débiles y fuertes.

En un estudio publicado en Physical Review Research, fruto de una estrecha colaboración entre la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la UPC–, se ha demostrado que, para interacciones débiles, las aportaciones de temperatura finita a las variables termodinámicas se pueden tener en cuenta para la descripción del gas en términos de un conjunto de partículas ficticias que no interactúan. En estados de fuerte interacción, sus propiedades térmicas se desprenden de forma natural de la aproximación de interacciones entre bosones como si fueran esferas duras.

Este estudio, elaborado por los investigadores del grupo de investigación Barcelona Quantum Monte Carlo (BQMC) del Departamento de Física de la UPC Giulia De Rosi, Pietro Massignan y Grigori Astrakharchik, junto con el investigador ICREA Maciej Lewenstein, del ICFO, impulsará nuevas investigaciones destinadas a caracterizar la naturaleza microscópica de los gases de Bose unidimensionales. Estas predicciones pueden aplicarse a diferentes sistemas cuánticos, tales como líquidos de helio, mezclas cuánticas y impurezas inmersas en fluidos cuánticos.