Quantum: observación sin precedentes de átomos rotativos ultrafríos

Los átomos ultrafríos son átomos que se mantienen a temperaturas cercanas al cero absoluto; En este punto, las propiedades de la mecánica cuántica dominan las leyes de la física clásica. Los experimentos que involucran átomos ultrafríos ya han permitido estudiar una variedad de fenómenos, como las transiciones de fase cuántica, la superfluidez de la materia o incluso la condensación de Bose-Einstein. Al rotar un fluido cuántico de átomos ultrafríos, un equipo de Centro MIT-Harvard para átomos ultrafríos Observó otro comportamiento fascinante: los átomos formaron un patrón cristalino similar a una cadena de pequeños tornados. Su resumen de investigación acaba de ser publicado en el periódico Naturaleza.

>> Lea también: Los experimentos muestran que el pensamiento sigue las leyes de la física cuántica

Una cristalización guiada solo por interacciones cuánticas

Los investigadores se inspiraron en un cierto estado de la materia descubierto en la década de 1980, conocido como fluidos cuánticos de Hall; estos fluidos están compuestos por nubes de electrones que flotan en un campo magnético. Parecía que en lugar de repelerse entre sí -como predice la física clásica- cada uno de los electrones adaptaba su comportamiento al de sus vecinos, de forma correlacionada y cuántica. En un campo magnético, la energía cinética de los electrones se apaga (son como si estuvieran inmovilizados); solo quedan interacciones puras, explica en un comunicado de prensa Richard Fletcher, profesor asistente de física en el MIT y coautor del estudio.

Pero cuando se mueven, los electrones realizan movimientos muy pequeños, que son difíciles de observar. Por lo tanto, los investigadores comenzaron a usar átomos fríos en lugar de electrones, ya que el movimiento de los átomos en rotación ocurre en escalas de longitud mucho más grandes. El objetivo era observar el comportamiento de los átomos individuales y ver si obedecían o no a la misma física cuántica.

Para llevar a cabo el experimento, el equipo utilizó láseres para capturar una nube formada por aproximadamente un millón de átomos de sodio, que enfriaron a temperaturas de aproximadamente 100 nanoquelvin. Un sistema de electroimanes atrapó y confinó los átomos, por lo que los investigadores los rotaron colectivamente a unas 100 revoluciones por segundo. Después de unos 100 milisegundos, la nube de átomos ultrafríos tomó gradualmente la forma de una estructura larga y delgada en forma de aguja. » Esta cristalización está impulsada puramente por interacciones y nos dice que nos estamos moviendo del mundo clásico al mundo cuántico. Explica Fletcher.

La nube giratoria de átomos de sodio se convirtió gradualmente en una estructura larga y delgada, que terminó rompiendo en una cadena de varios pequeños remolinos. Créditos: B. Mukherjee y col., Nature (2021)

Un fenómeno cuántico comparable al efecto Coriolis

A medida que se perfeccionó, la estructura se acercó a la delicadeza cuántica crítica. De hecho, en el marco de la física clásica, esta estructura de un fluido simplemente se volvería más delgada, pero en la física cuántica, un fluido tiene un cierto umbral de finura. Entonces, a medida que el fluido continuaba girando, la «aguja» comenzó a exhibir cierta inestabilidad, luego se fragmentó espontáneamente en un patrón similar a una cadena de tornados cuánticos en miniatura: un cristal cuántico, que resulta solo de la interacción entre la rotación. Del gas y las fuerzas entre los átomos, señalan los investigadores.

>> Lea también: Los investigadores afirman que la física cuántica se deduce de la teoría de la relatividad. ¡No publicado!

Esta es la primera observación directa y en el lugar de la evolución de un gas cuántico que gira rápidamente. Martin Zwierlein, quien también participó en esta investigación, señala que la evolución de los átomos en rotación es bastante similar a cómo la rotación de la Tierra genera fenómenos meteorológicos a gran escala. » El efecto Coriolis que explica el efecto de la rotación de la Tierra es similar a la fuerza de Lorentz que explica el comportamiento de las partículas cargadas en un campo magnético. », Especifica.

Si bien el efecto Coriolis contribuye, en la atmósfera, al movimiento de los ciclones y más ampliamente de las masas de aire que rodean la Tierra, los átomos que giran rápidamente también están sujetos a fuerzas que influyen en su comportamiento: el fluido en rotación, debido a sus inestabilidades cuánticas, así fragmentado en una estructura cristalina de diminutas nubes y remolinos, nunca antes visto.