Al bajar la temperatura a casi el cero absoluto es posible observar el acto cuántico de las partículas.
Usando esta técnica, los científicos probaron una predicción importante acerca de un comportamiento particular en un condensado Bose-Einstein.
Un equipo internacional de científicos está reescribiendo una página del libro de reglas de la física cuántica en un laboratorio de la Universidad de Florida, alguna vez llamado el lugar más frío del universo.
Mucho de lo que sabemos acerca de la mecánica cuántica es teórico y se prueba a través de modelos informáticos, ya que los sistemas cuánticos, como los electrones que zumban alrededor del núcleo de un átomo, son difíciles de precisar para su observación. Sin embargo, uno puede hacer que las partículas se muevan más despacio y así atraparlas en el acto cuántico al someterlas a temperaturas extremadamente frías.
La nueva investigación, publicada en la edición del 20 de septiembre de la revista Nature, describe cómo este enfoque de congelación de imagen se ha utilizado recientemente para anular una regla práctica de la teoría cuántica.
“Estamos en la era de la mecánica cuántica”, dijo Neil Sullivan, profesor de física de la Universidad de la Florida y director del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético situado en el campus de la Universidad y sede del laboratorio Microkelvin donde los experimentos pueden llevarse a cabo a una temperatura cercana al cero absoluto.
“Si a usted le han practicado una resonancia magnética, entonces ya ha hecho uso de una tecnología cuántica.”
El imán que acciona un escáner de resonancia magnética es una bobina superconductora transformada en un estado cuántico por helio líquido, que es muy frío. En el interior de la bobina, la corriente eléctrica fluye sin fricción.
Los imanes cuánticos y otros sucesos extraños, casi de otro mundo de la mecánica cuántica, podrían inspirar los próximos avances importantes en tecnologías de computación, energía alternativa y transporte, como los trenes de levitación magnética, dijo Sullivan. Pero la innovación no puede continuar sin un buen conjunto de directrices para ayudar a los ingenieros a transitar el camino cuántico.
Ahí es donde el laboratorio Microkelvin entra en juego ya que es uno de los pocos centros en el mundo preparados para brindar las temperaturas extremadamente frías necesarias para ralentizar lo que Sullivan llama el “revoltijo” del mundo de los sistemas cuánticos a temperatura normal y llevarlos a un ritmo manejable donde se pueden observador y manipular.
“La temperatura ambiente es de aproximadamente 300 kelvin”, dijo Sullivan.
“El hidrógeno líquido que se bombea a un cohete en el Centro Espacial Kennedy está a 20 kelvin.”
Los físicos necesitan temperaturas de 1 millikelvin, una milésima de kelvin sobre el cero absoluto o -273,15 grados Celcius, para llevar a la materia a un ámbito diferente, donde se pueden explorar las propiedades cuánticas.
Un estado fundamental de la mecánica cuántica, que los científicos están interesados en entender más a fondo, es una fase frágil y efímera de la materia llamada condensado Bose-Einstein.
En este estado, las partículas individuales que conforman un material comienzan a actuar como una unidad coherente. Es una condición difícil de inducir en el laboratorio, pero que los investigadores necesitan explorar si la tecnología alguna vez aprovechará plenamente las propiedades del mundo cuántico.
Dos teóricos, Tommaso Roscilde en la Universidad de Lyon, Francia, y Rong Yu de la Universidad Rice en Houston, desarrollaron las ideas fundamentales para el estudio y pidieron a un colega, Armando Padua-Filho, de la Universidad de Sao Paulo en Brasil, que diseñara la muestra cristalina utilizada en el experimento.
“Nuestras mediciones definitivamente probaron una predicción importante acerca de un comportamiento particular en un condensado Bose-Einstein”, dijo Vivien Zapf, una científica del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de Los Álamos y una fuerza impulsora detrás de la colaboración internacional.
El experimento monitoreó el espín atómico de partículas subatómicas llamadas bosones en el cristal, para ver si la transición a la condensación de Bose-Einstein se había logrado, y luego se enfrió la muestra para documentar el punto exacto donde las propiedades del condensado decayeron.
Observaron el fenómeno cuando llevaron a la muestra a una temperatura de 1 milikelvin.
El cristal líquido utilizado en el experimento había sido contaminado con impurezas en un esfuerzo para crear un escenario del mundo real, dijo Zapf. “Es bueno saber lo que pasa en muestras puras, pero el mundo real, es complicado y tenemos que saber cuáles son las reglas cuánticas en esas situaciones”.
Después de haber realizado una serie de simulaciones de antemano, sabían que el experimento les obligaría a generar temperaturas de hasta 1 milikelvin.
“Hay que ir al laboratorio Microkelvin en UF para eso”, dijo. El laboratorio está ubicado en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, financiado por la Fundación Nacional de Ciencia.
Otros laboratorios puede llegar a la temperatura extrema requerida, pero ninguno de ellos puede sostenerla el tiempo suficiente para recoger todos los datos necesarios para el experimento.
“Me tomó seis meses obtener las lecturas”, dijo Liang Yin, un científico asistente en el departamento de física de UF que operaba el equipo en el laboratorio Microkelvin. “Debido a que el campo magnético que utilizamos para controlar la intensidad de la onda también se calienta, tuvimos que ajustarlo muy lentamente.”
Sus hallazgos literalmente reescribieron la regla para predecir las condiciones en que se produciría la transición entre los dos estados cuánticos.
“Todo el mundo debería estar viendo lo que sucede a medida que se descubren propiedades de los sistemas a estas temperaturas extremadamente bajas”, dijo Sullivan. “Un cable superconductor es superconductor por este concepto del condensado Bose-Einstein.
Si alguna vez podremos capitalizarlo para la computación cuántica o de levitación magnética para trenes, tenemos que comprenderlo a fondo”.
Source: University of Florida
