En física , una resonancia de Feshbach puede ocurrir tras la colisión de dos átomos lentos , cuando se unen temporalmente formando un compuesto inestable con una vida útil corta (la llamada resonancia). [1] Es una característica de los sistemas de muchos cuerpos en la que se logra un estado ligado si desaparecen los acoplamientos entre al menos un grado interno de libertad y las coordenadas de reacción , que conducen a la disociación . La situación opuesta, cuando no se forma un estado ligado, es una resonancia de forma . Lleva el nombre de Herman Feshbach , físico del MIT .
Las resonancias de Feshbach se han vuelto importantes en el estudio de los sistemas de átomos fríos , incluidos los gases de Fermi y los condensados de Bose-Einstein (BEC). [2] En el contexto de los procesos de dispersión en sistemas de muchos cuerpos, la resonancia de Feshbach ocurre cuando la energía de un estado ligado de un potencial interatómico es igual a la energía cinética de un par de átomos en colisión. En entornos experimentales, las resonancias de Feshbach proporcionan una forma de variar la fuerza de interacción entre los átomos en la nube al cambiar la longitud de dispersión, a sc , de las colisiones elásticas. Para las especies atómicas que poseen estas resonancias (como K 39 y K 40 ), es posible variar la fuerza de interacción aplicando un campo magnético uniforme. Entre muchos usos, esta herramienta ha servido para explorar la transición de un BEC de moléculas fermiónicas a pares de fermiones de interacción débil del BCS en las nubes de Fermi. Para los BEC, las resonancias de Feshbach se han utilizado para estudiar un espectro de sistemas desde los gases Bose ideales que no interactúan hasta el régimen unitario de interacciones.
Introducción
Considere un evento de dispersión cuántica general entre dos partículas. En esta reacción, hay dos partículas de reactivo indicadas por A y B , y dos partículas de producto indicadas por A ' y B' . Para el caso de una reacción (como una reacción nuclear ), podemos denotar este evento de dispersión por
- o .
La combinación de las especies y los estados cuánticos de las dos partículas reactivas antes o después del evento de dispersión se denomina canal de reacción. Específicamente, las especies y estados de A y B constituyen el canal de entrada , mientras que los tipos y estados de A ' y B' constituyen el canal de salida . Un canal de reacción energéticamente accesible se denomina canal abierto , mientras que un canal de reacción prohibido por conservación de energía se denomina canal cerrado.
Considere la interacción de dos partículas A y B en un canal de entrada C . Las posiciones de estas dos partículas están dadas por y , respectivamente. La energía de interacción de las dos partículas generalmente dependerá solo de la magnitud de la separación, y esta función, a veces denominada curva de energía potencial , se denota por. A menudo, este potencial tendrá un mínimo pronunciado y, por lo tanto, admitirá estados vinculados .
La energía total de las dos partículas en el canal de entrada es
- ,
dónde denota la energía cinética total del movimiento relativo (el movimiento del centro de masa no juega ningún papel en la interacción de dos cuerpos), es la contribución a la energía de los acoplamientos a los campos externos, y representa un vector de uno o más parámetros tales como campo magnético o campo eléctrico . Consideramos ahora un segundo canal de reacción, denotada por D , que está cerrado para valores grandes de R . Deje que esta curva potencial admitir un estado ligado con energía .
Se produce una resonancia de Feshbach cuando
para algún rango de vectores de parámetros . Cuando se cumple esta condición, cualquier acoplamiento entre el canal C y el canal D puede dar lugar a una mezcla significativa entre los dos canales; esto se manifiesta como una dependencia drástica del resultado del evento de dispersión del parámetro o parámetros que controlan la energía del canal de entrada. Estos acoplamientos pueden surgir de interacciones de intercambio de espín o interacciones relativistas dependientes de espín. [2]
Resonancia magnética de Feshbach
En experimentos atómicos ultrafríos, la resonancia se controla a través del campo magnético y asumimos que la energía cinética es aproximadamente 0. Dado que los canales difieren en grados internos de libertad, como el giro y el momento angular, su diferencia de energía depende de por el efecto Zeeman . La longitud de dispersión se modifica como
dónde es la longitud de dispersión del fondo, es la fuerza del campo magnético donde se produce la resonancia, y es el ancho de resonancia. [2] Esto permite la manipulación de la longitud de dispersión a 0 o valores arbitrariamente altos.
A medida que el campo magnético pasa a través de la resonancia, los estados en el canal abierto y cerrado también pueden mezclarse y una gran cantidad de átomos, a veces con una eficiencia cercana al 100%, se convierten en moléculas de Feshbach. Estas moléculas tienen estados vibracionales altos, por lo que luego deben pasar a estados más bajos y estables para evitar la disociación. Esto se puede hacer mediante emisiones estimuladas u otras técnicas ópticas como STIRAP . Otros métodos incluyen la inducción de emisión estimulada a través de un campo magnético oscilante y la termalización átomo-molécula. [2]
Resonancias de Feshbach en cruces evitados
En las moléculas, los acoplamientos no adiabáticos entre dos potenciales adiabáticos construyen la región de cruce evitado (AC). Las resonancias rovibrónicas en la región AC de los potenciales de dos acoplamientos son muy especiales, ya que no están en la región del estado ligado de los potenciales adiabáticos, y por lo general no juegan papeles importantes en las dispersiones y son menos discutidas. Yu Kun Yang et al estudiaron este problema en el New J. Phys. 22 (2020). [3] Ejemplificado en la dispersión de partículas, las resonancias en la región AC se investigan exhaustivamente. Los efectos de las resonancias en la región AC sobre las secciones transversales de dispersión dependen en gran medida de los acoplamientos no adiabáticos del sistema, pueden ser muy significativos como picos agudos o discretos enterrados en el fondo. Más importante aún, muestra una cantidad simple propuesta por Zhu y Nakamura para clasificar la fuerza de acoplamiento de las interacciones no adiabáticas, que se puede aplicar bien para estimar cuantitativamente la importancia de las resonancias en la región AC.
Estado inestable
Un estado virtual o inestable es un estado ligado o transitorio que puede decaer a un estado libre o relajarse a una velocidad finita. [4] Este estado puede ser el estado metaestable de una cierta clase de resonancia de Feshbach, "Un caso especial de una resonancia de tipo Feshbach ocurre cuando el nivel de energía se encuentra cerca de la parte superior del pozo potencial. Tal estado se llama 'virtual ' " [5] y puede contrastarse aún más con una resonancia de forma dependiendo del momento angular. [6] Debido a su existencia transitoria, pueden requerir técnicas especiales de análisis y medición, por ejemplo. [7] [8] [9] [10]
Referencias
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