Visualización del momento angular de espín en ondas de agua

Visualización del momento angular de espín en ondas de agua


18 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) Las ondas de agua se pueden utilizar para visualizar conceptos fundamentales como el momento angular de espín que aparece en la teoría relativista de campos, los físicos de RIKEN han demostrado (avances científicos, «Teoría de campos Spin y Momentum en ondas de agua»). Esto ayudará a obtener nuevos conocimientos sobre sistemas de olas muy diferentes.

Introducido por primera vez hace casi un siglo, el concepto de momento angular de espín, o espín, es crucial en la física cuántica y sustenta los campos emergentes de la espintrónica y la computación cuántica. En la física de la escuela secundaria, el giro de un electrón generalmente se describe como el electrón girando alrededor de su propio eje, como un trompo. Pero una descripción más completa del giro es más abstracta y no proviene de imágenes simples.

Ahora, Konstantin Bliokh del Laboratorio de Física Cuántica Teórica RIKEN y sus colaboradores han demostrado que el giro puede aparecer como pequeños movimientos circulares de partículas de agua en ondas de agua (Fig. 1). Usar ondas de agua para crear pequeñas circulaciones de partículas de agua (flechas rosas) que generan el momento angular de giro de las ondas de agua, una contraparte clásica del giro de los campos de ondas cuánticas Figura 1: Los investigadores de RIKEN han utilizado ondas de agua para crear pequeñas circulaciones de partículas de agua (flechas rosas) que producen el momento angular de giro de las ondas de agua, una contraparte clásica del giro de los campos de ondas cuánticas. (Imagen: KY Bliokh et al. Distribuida bajo una licencia CC BY-NC 4.0)

«Nos sorprendió que nuestros colegas de la Universidad Nacional de Australia pudieran observar este efecto tan bien en los experimentos», dice Bliokh. «Los fenómenos similares en óptica y acústica suelen ser demasiado pequeños para observarlos, pero con las ondas de agua todo tiene solo unos pocos milímetros de tamaño y se puede observar con los ojos. Esa es la belleza de este experimento”.

También fue inesperado porque el concepto de espín proviene de las matemáticas que describen la teoría relativista de campos y no es directamente aplicable a las ondas de agua. Pero los investigadores pudieron demostrar que existe una conexión matemática entre las ondas de agua y la teoría formal del momento angular de giro. Como suele ser el caso en la física, los diferentes fenómenos que parecen ser completamente independientes entre sí se pueden conectar a través de las matemáticas comunes.

Imagen de Konstantin Bliokh Konstantin Bliokh y sus colaboradores han demostrado que el concepto cuántico del momento angular de espín se puede observar en las ondas de agua. © 2022 RIKEN

«Es bueno obtener una imagen unificada de diferentes sistemas de ondas y ver los paralelos entre ellos», dice Bliokh. «Este enfoque arroja luz sobre la física detrás de diferentes fenómenos y podría ser muy fructífero para el desarrollo futuro de diferentes campos». Señala que los conocimientos podrían fluir en ambos sentidos y que podríamos aprender más sobre la dinámica de fluidos de la conexión.

Bliokh también cree que la demostración podría ser útil para enseñar la teoría cuántica de campos. “Cantidades como la densidad de espín se derivan de una forma muy abstracta. Aparece en algunas ecuaciones, pero en los experimentos observas cosas muy diferentes”, dice Bliokh. “Por primera vez hemos observado directamente la densidad de espín en las ondas de agua. Así que es realmente una plataforma para visualizar propiedades que están ocultas en la teoría cuántica de campos”.

El equipo ahora está investigando cómo se puede usar la teoría de campos para obtener nuevos conocimientos sobre otros tipos de ondas clásicas.



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