Físicos del MIT han conseguido que se formen “tornados cuánticos” en nubes de átomos ultrafríos, según un artículo reciente publicado en la revista Nature. Se trata de la primera documentación directa, in situ, de cómo evoluciona un gas cuántico de rápida rotación y, según los autores, el proceso se asemeja a cómo los efectos de rotación de la Tierra pueden dar lugar a patrones meteorológicos a gran escala.
Los científicos del MIT estaban interesados en estudiar los llamados fluidos cuánticos de Hall. Descubiertos por primera vez en la década de 1980, los fluidos Hall cuánticos están compuestos por nubes de electrones que flotan en campos magnéticos. En un sistema clásico, los electrones se repelen entre sí y forman un cristal. Pero en los fluidos Hall cuánticos, los electrones imitan el comportamiento de sus vecinos, lo que demuestra la correlación cuántica.
“La gente descubrió todo tipo de propiedades sorprendentes, y la razón fue que, en un campo magnético, los electrones están (clásicamente) congelados en su lugar: toda su energía cinética se apaga, y lo que queda son interacciones pu rely “, mencionó el coautor Richard Fletcher, físico del MIT. “Por lo tanto, surgió todo este mundo. Pero era extremadamente difícil de observar y entender”.
Así que Fletcher y sus coautores pensaron que podrían ser capaces de simular este comportamiento inusual de los electrones utilizando nubes de gases cuánticos ultrafríos. Conocidos como condensados de Bose-Einstein (BEC), estos gases reciben su nombre en honor de Albert Einstein y del físico indio Satyendra Bose. En la década de 1920, Bose y Einstein predijeron la posibilidad de que la naturaleza ondulatoria de los átomos permitiera que éstos se extendieran y superpusieran si estaban lo suficientemente juntos.
A temperaturas normales, los átomos actúan como bolas de billar y rebotan entre sí. Al bajar la temperatura se reduce su velocidad. Si la temperatura es lo suficientemente baja (milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto) y los átomos están lo suficientemente empaquetados, las diferentes ondas de materia podrán “sentirse” unas a otras y coordinarse como si fueran un gran “superátomo”.
Los primeros BEC fueron creados en 1995, y en pocos años, más de tres docenas de equipos habían replicado el experimento. El descubrimiento ganador del Premio Nobel lanzó una rama completamente nueva de la física. Los BEC permiten a los científicos estudiar el extraño y pequeño mundo de la física cuántica como si lo miraran a través de una lupa, porque un BEC “amplifica” los átomos del mismo modo que los láseres amplifican los fotones.
Los gases atómicos ultrafríos son buenos para simular los electrones en los sólidos, pero carecen de carga. Esta neutralidad puede dificultar la simulación de fenómenos como el efecto Hall cuántico. Poner un espín en un sistema tan neutro es una forma de superar este obstáculo.
“Pensamos: hagamos que estos átomos fríos se comporten como si fueran electrones en un campo magnético, pero que podamos controlar con precisión”, dijo el coautor Martin Zwierlein, también físico del MIT. “Entonces podremos visualizar lo que hacen los átomos individuales y ver si obedecen a la misma física mecánica cuántica”.
Utilizando una trampa láser, los científicos del MIT enfriaron alrededor de 1 millón de átomos de gas de sodio; los átomos enfriados fueron mantenidos en su lugar por un campo magnético. El segundo paso es el enfriamiento por evaporación, en el que una red de campos magnéticos conspira para expulsar a los átomos más calientes para que los átomos más fríos puedan acercarse más. El proceso funciona de forma muy similar a la refrigeración por evaporación que se produce con una taza de café caliente: los átomos más calientes suben a la parte superior de la trampa magnética y “saltan” en forma de vapor.
Esos mismos campos magnéticos también pueden hacer que los átomos dentro de la trampa giren a unas 100 rotaciones por segundo. Ese movimiento se captó con una cámara CCD, gracias a la forma en que los átomos de sodio son fluorescentes en respuesta a la luz láser. Los átomos proyectan una sombra que puede observarse mediante una técnica llamada imagen de absorción.
En 100 milisegundos, los átomos giraron formando una estructura larga y delgada similar a una aguja. A diferencia de un fluido clásico (como el humo de un cigarrillo), que no deja de adelgazar, un fluido cuántico tiene un límite en cuanto a su grosor. Los investigadores del MIT descubrieron que las estructuras en forma de aguja que se formaban en sus gases ultrafríos alcanzaban ese límite de delgadez. Los investigadores describieron su gas cuántico giratorio y otros hallazgos relacionados el año pasado en Science.
Este último trabajo lleva el experimento del MIT un paso más allá al examinar cómo podría evolucionar el fluido en forma de aguja en condiciones de pura rotación e interacciones atómicas. El resultado: surgió una inestabilidad cuántica que provocó que la aguja de fluido se tambaleara y luego se enroscara. Finalmente, el fluido se cristalizó en una cadena de manchas giratorias parecidas a tornados, un cristal cuántico formado enteramente por interacciones atómicas dentro del gas giratorio. La evolución es sorprendentemente similar a las formaciones llamadas nubes de Kelvin-Helmholtz, en las que una nube homogénea comienza a formar dedos sucesivos como resultado de una diferencia de velocidad (velocidad y dirección) entre dos corrientes de viento en la atmósfera.
“Esta evolución conecta con la idea de cómo una mariposa en China puede crear una tormenta aquí, debido a inestabilidades que desencadenan turbulencias”, dijo Zwierlein. “Aquí tenemos un clima cuántico: El fluido, sólo por sus inestabilidades cuánticas, se fragmenta en esta estructura cristalina de nubes y vórtices más pequeños. Y es un gran avance poder ver estos efectos cuánticos directamente”.
Al parecer, este comportamiento había sido predicho en un artículo anterior por otros físicos, que el equipo del MIT acaba de descubrir. Y hay algunas aplicaciones prácticas potenciales para esta investigación, sobre todo como sensores rotacionales altamente sensibles para la navegación submarina. Los submarinos dependen de giroscopios de fibra óptica para detectar el movimiento de rotación cuando están sumergidos, lo que produce un patrón de interferencia revelador. Los átomos se mueven más lentamente que la luz, por lo que un sensor de torbellino cuántico sería mucho más sensible, posiblemente incluso lo suficiente como para medir ligeros cambios en la rotación de la Tierra.
Nature, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2.
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Michael Rojas
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