Físicos observan increíbles “tornados cuánticos” formados a partir de átomos ultrafríos

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Físicos observan increíbles “tornados cuánticos” formados a partir de átomos ultrafríos

Al igual que la formación de patrones climáticos en la Tierra, aquí un fluido giratorio de partículas cuánticas se rompe en un cristal formado a partir de estructuras arremolinadas similares a tornados. / Mukherjee et al, Nature, 2022

Físicos del MIT han observado directamente átomos ultrafríos que forman “tornados cuánticos” en un fluido giratorio de átomos ultrafríos. Las observaciones registran un paso clave de la realidad del comportamiento clásico al cuántico. La investigación fue publicada en Nature.

El mundo que experimentamos se rige por la física clásica. Sin embargo, las partículas se comportan de manera diferente a nivel cuántico. Esto ocurre en parte porque, en este punto, sus interacciones entre sí tienen más poder sobre ellas que la energía de su movimiento. Además, las partículas cuánticas no tienen exactamente una determinada ubicación fija, lo que influye en la forma en que interactúan.

Al enfriar las partículas lo más cerca posible del cero absoluto y eliminar otras interferencias, los físicos pueden observar qué sucede cuando estas extrañas interacciones se establecen. Esto es exactamente lo que ha hecho un equipo del Massachusetts Institute of Technology – MIT, liderado por el físico Biswaroop Mukherjee.

Clima cuántico

El equipo atrapó e hizo girar una nube de alrededor de 1 millón de átomos de sodio utilizando láseres y electroimanes. En investigaciones anteriores, los físicos demostraron que esto haría girar la nube en una estructura similar a una aguja larga, un condensado de Bose-Einstein, donde el gas comienza a comportarse como una sola entidad con propiedades compartidas.

“En un fluido clásico, como el humo del cigarrillo, seguiría diluyéndose”, dice Martin Zwierlein, físico del MIT. “Pero en el mundo cuántico, un fluido alcanza un límite en lo delgado que puede llegar a ser”, agregó.

En el nuevo estudio, los científicos avanzaron más allá de esta etapa, capturando una serie de imágenes de absorción. Las imágenes revelan lo que sucede después de que los átomos pasan de estar gobernados predominantemente por la física clásica a la cuántica.

Los físicos observaron los comportamientos de los átomos ultrafríos. La nube de átomos evolucionó a partir del condensado en forma de aguja, pasó a través de la inestabilidad en forma de serpiente y formó minúsculos tornados. Incluso hubo pequeños puntos oscuros entre los cristales vecinos donde se produjeron vórtices de contraflujo, tal como vemos en los sistemas meteorológicos complejos.

“Aquí tenemos el clima cuántico”, explica Zwierlein. “El fluido, solo por sus inestabilidades cuánticas, se fragmenta en esta estructura cristalina de nubes y vórtices más pequeños”, agrega.

El trabajo

Los autores controlaron el sistema para que nada más ejerciera una fuerza sobre los sujetos atómicos. Esto significaba que solo estaban en juego las interacciones de las propias partículas y su rotación. Su comportamiento resultante mostró propiedades supersólidas, algo así como lo que producen los electrones en forma de cristales de Wigner.

Los sólidos cristalinos tradicionales generalmente se componen de átomos dispuestos en una estructura de cuadrícula estacionaria y repetitiva. Sin embargo, estas estructuras continúan fluctuando, pero permanecen dentro de un patrón definible, como un líquido que finge ser sólido al sostener y fluir a través de una forma fija.

El equipo esencialmente hizo que los átomos se comportaran como si fueran electrones en un campo magnético. El uso de átomos de esta manera hace que los fenómenos cuánticos resultantes sean más fáciles de manipular y observar. Esto, a su vez, abre el camino para aún más descubrimientos sobre este mundo alucinante.

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