Un sistema de partícules que es mouen en una dimensió pot semblar enganyosament simple, però en realitat és un sistema extremadament sofisticat per la complexa interacció del moviment tèrmic, les col·lisions i l'estadística quàntica. Comprendre les propietats dels conjunts de bosons amb interaccions repulsives de contacte és crucial tant per a la investigació fonamental com per al desenvolupament de futures tecnologies quàntiques, superconductors d'alta temperatura i ordinadors quàntics. Sistemes similars s’han realitzat experimentalment des del 2004 amb gasos atòmics ultrafreds.

A temperatures molt baixes, la teoria del líquid de Luttinger proporciona una descripció unificada dels conjunts bosònics unidimensionals en termes d’excitació fonònica amb una dispersió lineal. A mesura que la temperatura augmenta, aquesta imatge unificada es descompon. L'exploració de moments més elevats permet comprovar la importància de la desviació de l'espectre del comportament lineal simple. Un problema que s’ha mantingut obert fins ara era la comprensió dels mecanismes microscòpics que governen els diferents comportaments termodinàmics per a interaccions febles i fortes.

En un estudi publicat a Physical Review Research, fruit d’una estreta col·laboració entre la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) i l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la UPC–, s’ha demostrat que, per a interaccions febles, les aportacions de temperatura finita a les variables termodinàmiques es poden tenir en compte per a la descripció del gas en termes d’un conjunt de partícules fictícies que no interactuen. En estats de forta interacció, les seves propietats tèrmiques es desprenen de forma natural de la aproximació de interaccions entre bosons com si fossin esferes dures.

Aquest estudi, elaborat pels investigadors del grup de recerca Barcelona Quantum Monte Carlo del Departament de Física de la UPC Giulia De Rosi, Pietro Massignan i Grigori Astrakharchik,  juntament amb l’investigador ICREA Maciej Lewenstein, de l’ICFO, impulsarà noves investigacions destinades a caracteritzar la naturalesa microscòpica dels gasos de Bose unidimensionals. Aquestes prediccions poden aplicar-se a diferents sistemes quàntics, com ara líquids d'heli, mescles quàntiques i impureses immerses en fluids quàntics.

Més informació

• Beyond-Luttinger-liquid thermodynamics of a one-dimensional Bose gas with repulsive contact interactions. Giulia De Rosi, Pietro Massignan, Maciej Lewenstein, and Grigori E. Astrakharchik. Phys. Rev. Research 1, 033083
•  Grup de recerca Barcelona Quantum Monte Carlo (BQMC)
•  Grup de recerca Quantum Optics Theory de l'ICFO