Cómo convertir agua en hielo en el reino cuántico
Investigadores de las universidades de Colorado Boulder y Toronto han logrado una transición similar a la de agua a hielo utilizando materiales cuánticos, concretamente nubes de átomos ultrafríos.
En un estudio publicado en la revista Science Advances, el equipo descubrió que podría empujar a estos materiales cuánticos a someterse a transiciones entre “fases dinámicas”, esencialmente, saltando entre dos estados en los que los átomos se comportan de maneras completamente diferentes.
“Esto sucede abruptamente y se parece a las transiciones de fase que vemos en sistemas como el agua convirtiéndose en hielo”, dijo la coautora del estudio, Ana Maria Rey. “Pero a diferencia de esa bandeja de cubitos de hielo en el congelador, estas fases no existen en equilibrio. En cambio, los átomos cambian constantemente y evolucionan con el tiempo”.
Los hallazgos, agregó, proporcionan una nueva ventana a los materiales que son difíciles de investigar en el laboratorio.
“Si desea, por ejemplo, diseñar un sistema de comunicaciones cuánticas para enviar señales de un lugar a otro, todo estará fuera de equilibrio”, dijo en un comunicado Rey, miembro de JILA, un instituto conjunto entre CU Boulder y el NIST (National Institute of Standards and Technology). “Dicha dinámica será el problema clave para entender si queremos aplicar lo que sabemos a las tecnologías cuánticas”.
Los científicos han observado transiciones similares antes en átomos ultrafríos, pero solo entre unas pocas docenas de átomos cargados, o iones.
Rey y sus colegas, en cambio, se convirtieron en nubes formadas por decenas de miles de átomos fermiónicos neutros o no cargados. Los átomos fermiónicos, dijo, son los introvertidos de la tabla periódica de elementos. No quieren compartir su espacio con sus otros átomos, lo que puede dificultar su control en laboratorios de átomos fríos.
“Estábamos realmente vagando por un nuevo territorio sin saber lo que encontraríamos”, dijo el coautor del estudio Joseph Thywissen, profesor de física en la Universidad de Toronto.
Para navegar ese nuevo territorio, los investigadores aprovecharon las interacciones débiles que ocurren entre los átomos neutros, pero solo cuando esos átomos chocan entre sí en un espacio confinado.
Primero, Thywissen y su equipo en Canadá enfriaron un gas compuesto de átomos de potasio neutros a solo una fracción de grado por encima del cero absoluto. Luego, sintonizaron los átomos para que sus “vueltas” apuntaran en la misma dirección.
Tales giros son una propiedad natural de todos los átomos, explicó Thywissen, un poco como el campo magnético de la Tierra, que actualmente apunta hacia el norte.
Una vez que todos los átomos estaban en formación, el grupo los ajustó para cambiar la intensidad con la que interactuaban entre sí. Y ahí es donde comenzó la diversión.
“Realizamos el experimento usando un tipo de campo magnético, y los átomos bailaron de una manera”, dijo Thywissen. “Más tarde, volvimos a ejecutar el experimento con un campo magnético diferente, y los átomos bailaron de una manera completamente diferente”.
En el primer baile, o cuando los átomos apenas interactuaban, estas partículas cayeron en el caos. Los giros atómicos comenzaron a girar a su propio ritmo y rápidamente todos apuntaron en diferentes direcciones.
Piense en ello como si estuviera parado en una habitación llena de miles de relojes con manecillas que marcan diferentes horas.
Pero eso fue solo una parte de la historia. Cuando el grupo aumentó la fuerza de las interacciones entre los átomos, dejaron de actuar como individuos desordenados y más como un colectivo. Sus giros seguían marcados, en otras palabras, pero estaban sincronizados.
En esta fase sincrónica, “los átomos ya no son independientes”, dijo Peiru He, un estudiante graduado de física en CU Boulder y uno de los autores principales del nuevo artículo. “Se sienten entre sí, y las interacciones los llevarán a alinearse entre sí”.
Con los ajustes correctos, el grupo también descubrió que podía hacer algo más: retroceder el tiempo, haciendo que tanto las fases sincronizadas como las desordenadas volvieran a su estado inicial.
Al final, los investigadores solo pudieron mantener esas dos fases dinámicas diferentes de la materia durante aproximadamente 0,2 segundos. Dijo que si pueden aumentar ese tiempo, podrán hacer observaciones aún más interesantes.
“Para ver una física más rica, es probable que tengamos que esperar más”, dijo.
Fuente: EP
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