En algunas de las condiciones físicas más extremas, los físicos han creado quizás las tormentas más pequeñas hasta el momento.
Estos “tornados cuánticos”, azotados por investigadores cuánticos del MIT y Harvard, son las últimas demostraciones de la mecánica cuántica, el extraño código de leyes que gobierna el universo en sus escalas subatómicas más finas. Están hechos de pequeñas nubes de átomos de sodio, girando a temperaturas de una fracción de grado por encima del cero absoluto.
Hay un método bien establecido de congelación profunda de átomos a estas profundidades ultra frías. Comienza atrapando átomos, a menudo metales alcalinos, en una jaula magnética y luego disparándoles un láser. Puede parecer extraño usar lá seres como una forma de enfriamiento, pero producen un haz con solo una longitud de onda de luz (en este caso, amarillo, para que coincida con el tono vaporoso del sodio). Cuando se ajustan con precisión, pueden ralentizar los átomos hasta el punto en que ya no producen calor.
Lo que podría quedar al final es un condensado de Bose-Einstein, un estado adorablemente esotérico de la materia donde múltiples átomos actúan como uno solo y se comportan en todo tipo de formas cuánticas inimaginables.
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Los condensados de Bose-Einstein pueden parecer extraños, y lo son, pero es un tipo de rareza con la que los físicos están acostumbrados a lidiar. Se predijeron por primera vez en la década de 1920, y los científicos lograron crear uno en el laboratorio en 1995. Esos esfuerzos ganaron a sus científicos el 2001 Premio Nobel de Física.
Desde entonces, el mundo de la física ha estado lleno de intentos de llevar los condensados de Bose-Einstein a nuevas alturas (o nuevos mínimos, como solían ser). Por ejemplo, los físicos se han preguntado durante algún tiempo si podrían hacer girar átomos congelados en este estado de la materia.
Los investigadores estaban interesados en hacer eso porque seguía los pasos de algo llamado un líquido de Hall cuántico. Para resumir una larga historia, bajo ciertas condiciones cuánticas y en un campo magnético, una nube de electrones que normalmente se empujarían unos a otros comenzaría a imitar las propiedades de los demás. Eso haría que actuaran un poco como moléculas de agua en un fluido, fluyendo libremente.
Los electrones son difíciles de observar, pero los físicos pensaron que la rotación de un condensado de Bose-Einstein en un remolino podría hacer que los átomos se comportaran de la misma manera. Eso es atractivo, porque los átomos son mucho, mucho más grandes que los electrones.
Este último grupo de investigación no es el único que ha tratado de provocar un vórtice. Entonces, el desafío consiste en intentar que los átomos giren sin romper el condensado de Bose-Einstein.
“Es un poco complicado tener, esencialmente, esta rotación bajo control”, dice Pedro Schauss, un físico de la Universidad de Virginia, que no formó parte del experimento más nuevo. “Es fácil rotarlo de alguna manera, pero es difícil hacerlo de manera que no se caliente”.
El grupo de Harvard-MIT hizo su intento discutiendo un millón de átomos de sodio, enfriándolos a 100 mil millonésimas de kelvin por encima del cero absoluto y acorralándolos dentro de poderosos electroimanes. Luego, hicieron girar el condensado, con la esperanza de poder ver un fluido cuántico en movimiento.
Funcionó, hasta cierto punto. Los átomos formaron una estructura delgada en forma de aguja que tenía las propiedades del fluido que habían estado buscando. Los investigadores publicaron los resultados hasta aquí. en Ciencias en junio de 2021.
Pero sabían que podían ir más allá. Decidieron seguir girando esa aguja para ver qué pasaba. Y ahí es cuando notan algo extraordinario: La aguja comenzó a ondular. Al principio, comenzó a envolverse en un sacacorchos. Luego, los rizos se rompieron, rompiendo la aguja en un puñado de pequeñas gotas cuánticas, cada una de las cuales comenzó a girar. Por lo tanto, tornados cuánticos.
Los investigadores comparan esto con la teoría del caos. La creación de estos tornados es similar al famoso ejemplo del aleteo de las alas de una mariposa y que provoca una tormenta en el otro lado del planeta, solo que el proceso se desarrolla a escala cuántica. Publicaron su descripción de los vórtices en Naturaleza a principios de este mes.
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Entonces, ¿qué viene después? Como uno podría imaginar, lograr que los átomos cooperen a este nivel no es fácil. “Todavía es una especie de trabajo en progreso conseguir láseres más estables para… ejecutar estos experimentos de manera eficiente”, dice Schauss. “Muchos de estos experimentos están limitados por eso”.
Otro desafío: el más pequeño de estos tornados cuánticos tenía 10 átomos cada uno. Pero algunos físicos creen que es posible ir aún más lejos: llegar a un condensado de Bose-Einstein con un solo átomo. Hacer eso realmente ayudaría a los físicos a observar algunas de las ecuaciones arcanas de la mecánica cuántica en el mundo real (en todo caso, con cámaras muy sofisticadas).
Mientras los científicos continúan refinando su proceso para crear estos vórtices y otras formas de materia ultra fría, sus creaciones podrían aplicarse a tecnologías como sensores. La investigación del MIT-Harvard fue financiada por DARPA, que quiere usar los condensados giratorios para detectar movimientos sutiles bajo el agua. Pero hasta ahora, la sutileza no ha sido parte de la ecuación.
La publicación Cómo surgieron los primeros ‘tornados cuánticos’ del mundo apareció primero en Popular Science.