Nuevos experimentos con neutrones dan una visión sin precedentes de oscilaciones cuánticas

Investigadores del Oak Ridge National Laboratory han descubierto que los átomos de nitrógeno en el compuesto de nitruro de uranio exhiben vibraciones inesperadas y distintas que forman una realización casi ideal del modelo teórico conocido como oscilador armónico cuántico.

En el experimento con cristales de nitruro de uranio, con cada uno de los ligeros átomos de nitrógeno centrados en una jaula de átomos de uranio pesado, la dispersión de neutrones en la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) del ORNL reveló inesperadas series de oscilaciones distintos y espaciados uniformemente: El átomo de nitrógeno vibra como una bola a nivel molecular en un resorte.

Los estudiantes de física están familiarizados con esta masa cuántica idealizada en un resote, pero es inesperado encontrar tal versión precisa y literal de este modelo teórico en un experimento real.

Los investigadores estaban usando el intenso haz de neutrones del SNS para examinar las propiedades magnéticas de un único cristal de nitruro de uranio cuando observaron signos de oscilación cuantica. La técnica, dispersión de neutrones, es una herramienta comúnmente usada para medir ondas acústicas convencionales cuantificadas, o "excitaciones de fonones" que tienen lugar a bajas frecuencias. Las mediciones en el SNS, sin embargo, ofrecieron pruebas de altas frecuencias muy por encima de la "corte de fonones" .

Los nuevos datos, obtenidos con los instrumentos ARCS y SEQUOIA del SNS, revelaron un máximo de 10 niveles de energía equidistantes correspondientes a oscilaciones de átomos de nitrógeno individuales en diferentes estados cuánticos. El equipo se sorprendió de encontrar esta serie de modos de vibración de alta energía en el nitruro de uranio, particularmente en un experimento que originalmente estaba creado para investigar el magnetismo en materiales.

El nitruro de uranio es un material de interés que se está considerando como un combustible para la próxima generación de reactores nucleares más eficientes. Los fenómenos observados en el SNS podrían dar información valiosa sobre el rendimiento del material y el comportamiento como combustible nuclear.

Via Oak Ridge National Laboratory