13 de mayo de 2018
13.05.2018
Ciencia

La inesperada reacción atómica que desacredita todas las teorías

Experimentos con átomos ultrafríos pueden llevar a una revisión completa de las teorías físicas

13.05.2018 | 14:01
Las propiedades de los átomos cambian al enfriarse.

Experimentos con átomos ultrafríos han deparado nubes atómicas acopladas que se sincronizan en cuestión de milisegundos. Este efecto no puede ser explicado por las teorías estándar. Cuando los átomos se enfrían a una temperatura casi nula, sus propiedades cambian por completo. Pueden convertirse en un Condensado de Bose-Einstein, un estado de materia ultrafrío en el que las partículas pierden su individualidad y solo pueden describirse colectivamente como un solo objeto cuántico.

En el Instituto Tecnológico de Viena (TU Wien), las nubes de átomos ultrafríos se han estudiado durante años. Son un sistema modelo perfecto para estudiar cuestiones fundamentales de la física cuántica de muchas partículas. Ahora, el equipo de investigación del profesor Jörg Schmiedmayer (Instituto de Física Atómica y Subatómica, TU Wien) ha encontrado resultados notables que no pueden ser explicados por ninguna de las teorías existentes.

Cuando dos gases cuánticos ultrafríos se acoplan, se pueden sincronizar de forma espontánea, oscilando en perfecta armonía después de solo unos pocos milisegundos. Esto significa que las teorías de los libros de texto sobre Condensados Bose-Einstein deben revisarse. Los resultados han sido publicados en la revista Physical Review Letters.

Un chip diseñado para el proceso


"Usamos un chip atómico especialmente diseñado para enfriar los átomos y modificar sus propiedades", dice Jörg Schmiedmayer en un comunicado. "El chip puede atrapar cientos o miles de átomos y manipular sus propiedades colectivas con campos electromagnéticos", añade. Al principio, una nube de átomos se enfría a una temperatura de unos pocos nanokelvins. "Entonces, usando el 'chip atómico', creamos una barrera, separando la nube en dos partes", dice Marine Pigneur, primera autora del artículo y estudiante en el equipo de Schmiedmayer.

"Si la barrera es lo suficientemente baja, los átomos pueden pasar de un lado a otro por un efecto llamado túnel cuántico. Por lo tanto, las dos nubes de átomos no son completamente independientes, están acopladas", explica Pigneur. De acuerdo con la física cuántica, cada objeto se puede describir como una onda. Las propiedades de la onda no son visibles para nosotros, porque los objetos con los que nos enfrentamos todos los días son demasiado grandes y demasiado calientes. Sin embargo, el comportamiento de los átomos fríos está fuertemente influenciado por estas propiedades de onda.

Una de estas propiedades es la fase, que se puede entender comparando la onda cuántica con un reloj de tiempo. "Imagine dos relojes de péndulo idénticos", dice Jörg Schmiedmayer. "Pueden estar perfectamente sincronizados, de modo que los dos péndulos alcanzan su punto más bajo al mismo tiempo, pero normalmente su movimiento está un poco fuera de sincronía. En ese caso, hablamos de una diferencia de fase entre los dos péndulos", indica el autor.

Sincronización perfecta


Cuando se crean las nubes de dos átomos, comienzan sin diferencia de fase, están perfectamente sincronizados. Pero al usar el chip atómico, se pueden desincronizar. La diferencia de fase cuántica entre las nubes de dos átomos (la medida en que están fuera de sincronía) se puede controlar con gran precisión. Después, las dos nubes se monitorean cuidadosamente para ver si esta diferencia de fase cambia con el tiempo.

Si dos péndulos clásicos están acoplados por una banda elástica, la banda disipará parte de la energía y los dos péndulos se sincronizarán. Algo similar sucede con las nubes de dos átomos: si están acopladas, se sincronizan automáticamente, en un período de tiempo notablemente corto. "Esto suena normal, cuando pensamos en relojes de péndulo, pero de acuerdo con las teorías bien establecidas de Condensados de Bose-Einstein, esto es bastante sorprendente porque no tenemos disipación", dice Jörg Schmiedmayer. "En un sistema cuántico como el nuestro, que está protegido del entorno, esperaríamos que los períodos de sincronización alternaran con la desincronización para siempre", resume.

"En el proceso de desincronización de los relojes, sacamos el sistema del equilibrio", dice Marine Pigneur."La mayoría de las teorías hasta ahora describen con éxito el acoplamiento de Condensados Bose-Einstein en equilibrio, pero son insuficientes para describir la salida de situación de equilibrio y la sincronización que observamos", continúa.

Un mecanismo disipa la energía


"El hecho de que los 'ritmos cuánticos' de las nubes de dos átomos son exactamente los mismos después de unos pocos milisegundos implica la existencia de un mecanismo que disipa la energía. Como el sistema está aislado de su entorno, la energía no se puede disipar, sino que solo se puede transferir", comenta Pigneur. El acoplamiento, tal como se explica en las teorías de los libros de texto, no puede transferir la energía tan fuerte y rápidamente como observamos. Entonces, o estas teorías carecen de algo, o simplemente están equivocadas. Significa que es nuestra comprensión de la interacción entre los átomos en sí la que debe modificarse.

Con este hallazgo sorprendente, el equipo de investigación espera estimular nuevas investigaciones en este área. "Después de todo, el comportamiento de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera del equilibrio es uno de los grandes problemas no resueltos de la física moderna", dice Jörg Schmiedmayer. "Se conecta a muchas preguntas fundamentales, desde el estado del universo temprano justo después del Big Bang hasta la pregunta de por qué los extraños efectos cuánticos solo se pueden observar a pequeña escala, mientras que objetos mayores obedecen a las leyes de la física clásica", concluye.

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