Las nuevas estructuras cuánticas en helio superenfriado pueden reflejar los primeros días del universo

Representación de los vectores de espín del helio líquido a medida que forman vórtices cuánticos medios. Crédito: Estudios ella Maru

La prueba experimental de una predicción de décadas de antigüedad abre un camino para recrear las posibles condiciones del universo primitivo aquí en la tierra 

Por primera vez, los investigadores han documentado la ocurrencia predicha ya hace tiempo de "paredes unidas por cuerdas" en el superfluido helio-3. La existencia de tal objeto, originalmente prevista por los teóricos de la cosmología, puede ayudar a explicar cómo el universo se enfrió después del Big Bang. Con la nueva capacidad para recrear estas estructuras en el laboratorio, los científicos de la Tierra finalmente tienen una manera de estudiar algunos de los posibles escenarios que podrían haber tenido lugar en el universo temprano más de cerca. 

Los hallazgos, publicados el 16 de enero en Nature Communications, se produjeron después de dos transiciones de fase de ruptura de simetría sucesivas en el Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad de Aalto. 

El helio permanece líquido a la presión atmosférica, incluso cuando se enfría a cero absoluto, en el que todos los demás materiales se congelan. El helio no solo permanece fluido a temperaturas criogénicas, sino que se convierte en un superfluido a una temperatura suficientemente baja. Un material superfluido tiene una viscosidad esencialmente cero, lo que significa que debe fluir para siempre sin perder energía. 

Cuando están confinados a un volumen nanoestructurado, los investigadores pueden usar fases superfluidas del isótopo helio-3 para estudiar efectos como vórtices semimánticos: remolinos en el superfluido donde la cantidad de flujo de helio está estrictamente controlada por las reglas de la física cuántica. 

'Inicialmente pensamos que los vórtices semánticos desaparecerían cuando bajáramos la temperatura. Resulta que los [vórtices de la mitad cuántica] realmente sobreviven a medida que la muestra de helio-3 se enfría por debajo de medio milikelvin, en lugar de eso, aparece un muro no patológico ', dice Jere Mäkinen, autor principal del estudio y estudiante de doctorado de la Universidad de Aalto. 

Si bien no son paredes físicas, que podrían bloquear el flujo, las paredes no topológicas alteran las propiedades magnéticas del helio. Los investigadores pudieron detectar los cambios mediante la resonancia magnética nuclear. 

En los primeros microsegundos después del Big Bang, algunos cosmólogos creen que todo el universo experimentó transiciones de fase de ruptura de simetría, como un superfluido dentro de un volumen nanoestructurado a medida que se enfría. La teoría dice que las fluctuaciones cuánticas o los defectos topológicos, como las paredes de dominio y los vórtices cuánticos, en el universo ultra condensado se congelaron en su lugar a medida que el universo se expandía. Con el tiempo, estas fluctuaciones congeladas se convirtieron en las galaxias que vemos y vivimos hoy. Ser capaz de crear estos objetos en el laboratorio puede permitirnos comprender más sobre el universo y por qué se formó de la forma en que lo hizo. 

Como una ventaja adicional, la estructura de estos defectos similares a huracanes que Mäkinen creó en el laboratorio también proporciona un modelo potencial para el estudio de la computación cuántica topológica. 

"Si bien el helio-3 líquido sería demasiado difícil y costoso de mantener como material para ordenador en funcionamiento, nos brinda un modelo de trabajo para estudiar los fenómenos que podrían usarse en materiales futuros más accesibles", dice. 

El profesor Emeritus Grigori Volovik, coautor del nuevo estudio, predijo por primera vez vórtices semánticos con VP Mineev en la década de 1970. Se observaron por primera vez en el superfluido de helio, en el Laboratorio de baja temperatura de Aalto, en 2016. 

Fuente: Universidad de Aalto,