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Observan por primera vez el efecto Josephson en un fluido ultrafrío

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
15/mar/2016

Jorge Seman, investigador del Instituto de Física, junto con investigadores de diversos institutos en Italia como el Instituto Nacional de Óptica del Consejo Nacional de Investigación (CNR, por sus siglas italianas) y el Laboratorio Europeo de Espectroscopia No-lineal (LENS), entre otros, observaron por primera vez oscilaciones de Josephson en un superfluido atómico de naturaleza fermiónica. Su trabajo fue publicado en diciembre pasado en la revista Science.

El efecto Josephson representa uno de los efectos más interesantes de la superfluidez. Este efecto fue predicho por primera vez en 1962 por el físico británico Brian David Josephson para materiales superconductores y se manifiesta como una corriente eléctrica a través de una delgada barrera por medio del efecto túnel.

Tanto la superconductividad como la superfluidez fueron efectos muy estudiados durante el siglo XX por tratarse de ejemplos paradigmáticos en la construcción de la Mecánica Cuántica. La importancia de éstos radica en el hecho de que son fenómenos cuánticos que se manifiestan a escala macroscópica.

En el trabajo de Seman y colaboradores, se ha observado el efecto Josephson en un gas superfluido compuesto por fermiones en un régimen muy interesante, conocido como límite unitario en donde las interacciones entre fermiones se vuelven muy intensas y el sistema se encuentra fuertemente correlacionado.

Súper-poder: Superfluidez

Para poder observar el efecto Josephson, el equipo de colaboradores de Seman tuvo que partir de cero, construyeron un experimento para producir muestras ultrafrías de un gas compuesto por el isótopo de 6Li. La muestra fue producida en condiciones de alta pureza, en el interior de una cámara de ultra-alto vacío con una presión interna de ~10-11 torr (~10-14 atm).

Posteriormente, la muestra se enfrió con técnicas muy especiales de enfriamiento láser y enfriamiento evaporativo. En el experimento pueden alcanzarse temperaturas tan bajas como 150 nano Kelvin (-123 x10-9 °C).

Algunos materiales, como el 6Li, obtienen “súper poderes” a muy bajas temperaturas. En este caso, el gas se vuelve superfluido, es decir, su viscosidad se reduce a cero por lo que el gas puede fluir sin fricción ni disipación.

La superfluidez está relacionada con otro fenómeno que se observa a temperaturas ultra bajas: la Condensación de Bose-Einstein (BEC), en el que todas las partículas del sistema ocupan el mismo estado de energía, es decir, existe una ocupación macroscópica de un único estado cuántico.

La Condensación de Bose-Einstein ocurre solamente cuando el sistema está compuesto por bosones, que son partículas con espín entero. La superfluidez, a pesar de estar relacionada con la condensación de Bose-Einstein, no es un fenómeno exclusivo de los bosones sino que también puede presentarse en sistemas compuestos por fermiones, como es el caso del gas de 6Li.

La superfluidez en fermiones ocurre cuando existe un mecanismo que forme pares de fermiones. Son estos pares los que generan las “súper-corrientes” en el fluido y, a su vez, estos átomos ultrafríos son uno de los pocos sistemas en la naturaleza que ofrecen tan alto nivel de control.

Su utilización es particularmente interesante porque los pares pueden formarse externamente por medio de un campo magnético producido por un par de ondas con forma senoidal y esto tiene un efecto en el modo en el que los átomos interactúan entre sí. Entonces es posible controlar la interacción efectiva entre átomos por medio de un campo externo. Este fenómeno es conocido como “Resonancia de Feshbach”.

Tres estados

“Es gracias a la posibilidad de manipular las interacciones interatómicas que fue posible obtener experimentalmente tres superfluidos con diferentes estados de asociación entre fermiones”, explica Seman.

En el primer caso, el par fermiónico consiste en una molécula de 6Li2 la cual tiene espín entero y, por lo tanto, se comporta como un bosón que da origen a un BEC molecular. Estas moléculas se forman cuando la interacción interatómica es débil y repulsiva.

El segundo consiste en pares fermiónicos conocidos como “pares de Cooper”. En él, los pares fermiónicos están débilmente asociados, pues su extensión espacial es muy grande y no puede ser entendido como una molécula por lo cual el par no es de naturaleza bosónica.

En superfluidos atómicos este estado es conocido como “estado BCS” debido a que la teoría que describe este estado fue propuesta en la década de los 50's por John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer (BCS proviene de las iniciales de sus apellidos). Los pares de Cooper se forman cuando las interacciones entre los átomos son débiles y atractivas.

Al sintonizar las interacciones, es posible pasar de manera continua de un superfluido BCS a un BEC molecular y es esto lo que da origen un tercer estado superfluido que ocurre justo a mitad del camino entre los otros dos, cuando las interacciones se vuelven muy intensas.

Para este caso, el par fermiónico no es una molécula y tampoco es un par de Cooper, sino que se encuentra en un estado que comparte características de ambos casos. Este estado es conocido como “límite unitario” y es un fenómeno que conecta a la superfluidez bosónica con la superfluidez fermiónica.



En la parte superior se muestra el esquema de cómo se observó el efecto Josephson, donde se muestra cómo, por medio de luz (campo electromagnético) fue separado en dos secciones el superfluido ultrafrío. En la parte inferior se muestra la fotografía original del efecto.

Resultados experimentales

En el trabajo que publicó Seman, fue posible observar el efecto Josephson en los tres regímenes de superfluidez con tan alto nivel de control. Representa, también, la primera ocasión en que el fenómeno es explorado en el límite unitario.

“El efecto Josephson se observó como una oscilación del número de átomos entre las dos regiones separadas por la lámina de luz. Esta oscilación es provocada al generar un pequeño desbalance en el número inicial de átomos entre cada una de las dos mitades del superfluido”, explica.

Seman observó que la frecuencia de dicha oscilación depende fuertemente el régimen superfluido, y alcanza un máximo en el límite unitario. Esto, entre otras cosas, indica que el superfluido en el límite unitario es más robusto, es decir, es más resistente a perturbaciones externas que tienden a destruir el estado de superfluidez.

“Haber observado este efecto en el límite unitario es muy interesante porque arroja pistas sobre el comportamiento de otros sistemas superfluidos pero menos entendidos y con menos posibilidades de control experimental, como es el caso de los superconductores de alta temperatura o las estrella de neutrones, que son también sistemas fermiónicos superfluidos fuertemente correlacionados”, concluye Seman.

Jorge Seman, experto en materia ultrafría. Foto: Alejandra Fonseca.