Simulaciones cuánticas con átomos ultrafríos
La presencia de impurezas es uno de los problemas más interesantes y fundamentales de la física de muchos cuerpos. En sólidos, un caso bien estudiado es el de una impureza acoplada a las vibraciones de una red cristalina. La impureza y la distorsión de la red que la acompaña forman una nueva entidad, conocida como polarón. Esta cuasipartícula desempeña un papel importante en la densidad espectral de los superconductores y en la magnetorresistencia elevada de las manganitas. La investigación realizada en el proyecto «Interactions between polarons in polarized Fermi gases» (INTERPOL), financiada por la Unión Europea, se centró en las impurezas móviles que forman los polarones de Fermi. La interacción de los polarones todavía es un problema controvertido en el límite de otros dos problemas de la física cuántica de muchos cuerpos: los condensados de Bose-Einstein y los superfluidos de Bardeen–Cooper–Schrieffer. Los científicos de INTERPOL estudiaron las propiedades de impurezas que se desplazan por un gas de Fermi con interacciones. Un gas de Fermi consta de un gran número de fermiones con un mismo espín. Al añadir átomos con espín opuesto a dicho gas de Fermi ideal, interactúan con los fermiones, lo cual da lugar a un gas de Fermi con interacciones. Las simulaciones numéricas revelaron que la presencia de impurezas también modifica la distribución de densidad en el gas de Fermi de alrededor de forma esférica y simétrica. Esta observación permitió a los científicos de INTERPOL llegar a la conclusión de que los polarones son cuasipartículas extendidas espacialmente. Además, sugiere la presencia de interacciones de largo alcance entre polarones. En el límite en el cual las interacciones entre impurezas y fermiones son débiles, los científicos de INTERPOL utilizaron métodos matemáticos de la teoría de las perturbaciones, los cuales permitieron obtener expresiones analíticas de la energía y la masa efectiva de los polarones en movimiento. Los resultados servirán como punto de partida para generalizar el enfoque adoptado a impurezas móviles que lleguen a colisionar. Para examinar su validez, se realizarán experimentos en los cuales se podrán crear haces casi monocromáticos de polarones de Fermi y examinarlos mediante espectrometría de radiofrecuencia. Se espera que los resultados teóricos validados respecto a los experimentos se puedan aplicar a superconductores e imanes y que permitan a los científicos abordar cuestiones fundamentales de la física cuántica.
