Se han anunciado las primeras observaciones experimentales de nudos en la materia cuántica en la revista Nature Physics. Fueron anunciadas en Nature Physics por científicos de la Universidad Aalto (Finlandia) y el Amherst College (EE.UU.)
El equipo creó ondas solitarias anudadas, o solitones nudo, en el campo de la mecánica cuántica que describe un gas de átomos superfluidos, también conocido como condensado de Bose-Einstein.
En contraste con cuerdas anudadas, los nudos cuánticos creados existen en un campo que asume una cierta dirección en cada punto del espacio. El campo se separa en una cantidad infinita de anillos unidos, cada uno con su propia dirección de campo. La estructura resultante es topológicamente estable, ya que no puede ser separado sin romper los anillos. En otras palabras, no se puede desatar el nudo dentro del superfluido a menos que uno destruya el estado de la materia cuántica.
“Para lograr este descubrimiento expusimos un condensado de rubidio a cambios rápidos de un campo magnético adaptado en forma específica, atando el nudo en menos de una milésima de segundo. Después de que supimos cómo atar el primer nudo cuántico, nos hemos vuelto bastante buenos en eso. Hasta el momento, hemos atado varios cientos de estos nudos, dice el profesor David Hall, del Amherst College.
Los científicos ataron el nudo apretando la estructura en el condensado desde su alrededor. Esto requirió inicializar el campo cuántico para que apuntara en una dirección en particular, después de lo cual cambiaron repentinamente el campo magnético aplicado para obtener un punto nulo aislado, en el que el campo magnético se desvanece, en el centro de la nube.
Luego sólo esperaron menos de una milésima de segundo para que el campo magnético hciera su truco y atara el nudo.
“Durante décadas, los físicos han estado prediciendo que en teoría debería ser posible hacer nudos en campos cuánticos, pero nadie había sido capaz de hacer uno. Ahora que hemos visto estas bestias exóticas, estamos muy interesados en estudiar sus peculiares propiedades. Esto es importante: nuestro descubrimiento se conecta con un conjunto diverso de campos de investigación entre los cuales está la cosmología, la obtención de energía por fusión, y las computadoras cuánticas”, dice el líder del grupo de investigación Mikko Möttönen, de la Universidad Aalto.
Imágenes experimentales del superfluido en el curso del proceso de atar nudos. El tiempo de atadura avanza de izquierda a derecha, como se indica. El brillo indica la densidad de partículas correspondientes a la dirección del campo arriba o abajo. Los círculos negros en el panel más a la derecha revelan el colorido toro que se muestra en la Figura 1, donde el campo dirige los puntos lateralmente. Crédito: David Hall.
Se han utilizado y apreciado los nudos en la civilización humanas durante miles de años. Por ejemplo, han permitido grandes expediciones marítimas e inspirado intrincados diseños y patrones. La antigua civilización Inca utilizaba un sistema de nudos llamados quipu para almacenar información.
En los tiempos modernos, se han pensado que los nudos juegan un papel importante en la mecánica cuántica que está en los fundamentos de la naturaleza, a pesar de que hasta ahora habian permanecido ocultos en la dinámica cuántica.
En la vida cotidiana, típicamente se atan nudos en cuerdas o hilos con dos extremos. Sin embargo, este tipo de nudos no son lo que los matemáticos llaman topológicamente estables, ya que pueden ser desatados sin cortar la cuerda. En los nudos estables, los extremos de las cuerdas están pegados entre sí. Estos nudos pueden ser reubicados dentro de la cuerda, pero no se los puede desatar sin tijeras.
Hablando matemáticamente, el nudo cuántico creado es similar a una forma denominada fibración Hopf, que fue descubierta por Heinz Hopf en 1931. La fibración Hopf sigue siendo ampliamente estudiada en física y matemáticas. Ahora se ha demostrado experimentalmente por primera vez en un campo cuántico.
“Este es el comienzo de la historia de los nudos cuánticos. Incluso sería genial ver aparecer nudos cuánticos más sofisticados, como los que tienen núcleos anudados. También sería importante crear estos nudos en condiciones en que el estado de la materia cuántica sería inherentemente estable.
Un sistema así permitiría estudios detallados de la estabilidad del nudo en sí, dice Mikko Möttönen.
Artículo de investigación: D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe y M. Möttönen, “Tying Quantum Knots”. Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS3624.
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