Físicos observan por primera vez colisiones individuales de átomos durante la difusión

Dr. Michael Hohmann, autor principal del estudio (Foto: privado)

La imagen muestra una célula de vacío, con la que los físicos llevan a cabo sus experimentos. (Foto: AG Widera)

La difusión es un proceso que la investigación entiende como aquel en el que las partículas más pequeñas se dispersan de manera uniforme en un gas o líquido. Aunque estos medios están compuestos por partículas individuales, la difusión se percibe como un proceso continuo. Hasta ahora, no se habían observado efectos de un solo impacto entre partículas, que es la base de la difusión. Por primera vez, físicos de Kaiserslautern y Erlangen han podido observar y describir teóricamente los pasos fundamentales en la difusión de átomos individuales en un gas. El estudio fue publicado en la prestigiosa revista especializada Physical Review Letters.

Hace casi 200 años, el médico e investigador escocés Robert Brown observó el movimiento aleatorio de las partículas de polen en un líquido. De manera similar a cómo se dispersa el polen, también las partículas más pequeñas, como moléculas o átomos, se distribuyen en gases y líquidos. En este proceso, las partículas chocan entre sí, formando un patrón de movimientos en zigzag y mezclando diferentes sustancias. Estos movimientos aleatorios se conocen en la ciencia como "movimiento browniano", y la dispersión y mezcla de diferentes sustancias como difusión.

“La difusión es de gran importancia en muchos ámbitos y fundamenta muchos procesos de transporte, por ejemplo, en células vivas o en almacenamientos de energía”, dice el profesor Dr. Artur Widera, que investiga física cuántica de átomos individuales y gases cuánticos ultrafríos en la Universidad Tecnológica de Kaiserslautern (TU). “Comprender los procesos de difusión es, por tanto, importante en casi todos los campos de las ciencias de la vida, las ciencias naturales y el desarrollo tecnológico.”

Una comprensión sencilla de la difusión en la ciencia se logra al ignorar las colisiones entre partículas. “En este contexto, también hablamos de un medio continuo en el que, por ejemplo, una partícula más grande, como el polen, difunde en él. Esta simplificación es aún mejor cuanto menor sea la masa de las partículas en el medio y mayor la frecuencia de las colisiones”, explica el Dr. Michael Hohmann, autor principal del estudio y asistente de investigación del profesor Widera. Un ejemplo cotidiano es la niebla. Se puede considerar como un medio así, aunque esté compuesta por diminutas gotas de agua individuales.

Para su experimento, los físicos de Widera modificaron las condiciones que prevalecen en un medio continuo: “Utilizamos átomos individuales en lugar de partículas grandes, como polen, que tienen casi la misma masa que los átomos del gas. Además, empleamos un gas muy frío y delgado para reducir drásticamente la frecuencia de las colisiones”, explica Hohmann. Por primera vez, los investigadores de Kaiserslautern observaron cómo los átomos de cesio difunden en un gas de átomos de rubidio casi a temperaturas cercanas al cero absoluto. “A estas temperaturas, ya no funciona ningún refrigerador. Enfriamos y mantenemos los átomos en un aparato de vacío con haces láser. La difusión se ralentizó tanto que se pudieron observar pasos individuales del proceso”, describe el profesor Widera sobre la configuración del experimento.

Para la descripción teórica del experimento, los investigadores de Kaiserslautern contaron con el apoyo de su colega, el profesor de física teórica Dr. Eric Lutz, de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Núremberg (FAU), quien desarrolló la modelización matemática. “Con este nuevo modelo, ahora podemos describir mejor el movimiento de los átomos”, afirma el investigador de Erlangen.

Juntos, lograron demostrar que basta con modificar el factor de fricción en los cálculos teóricos del modelo continuo. De esta forma, también se pueden describir casos en los que, como en el experimento mencionado, no se trata de un medio continuo. Esto es aplicable, por ejemplo, en las capas delgadas de aire en la atmósfera superior, en el espacio interestelar o en la tecnología de vacío, cuando se dispersan aerosoles, una mezcla de partículas en suspensión.

Los hallazgos de los investigadores pueden ser de interés, por ejemplo, para entender mejor la dispersión de aerosoles en la atmósfera o de gases en sistemas de vacío.

Los editores de la revista especializada Physical Review Letters valoran el estudio como un trabajo especialmente interesante y digno de lectura, y lo publican como sugerencia del editor: “Átomos de trazado individuales en un gas diluido ultrafrío”. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

Complementando la publicación, hay un artículo en inglés en la revista en línea “Physics”: https://physics.aps.org/articles/v10/76