Físicos del MIT han logrado formar ‘tornados cuánticos’ en nubes de átomos ultrafríos, según un publicación reciente publicado en la revista Nature. Este es el primer vivo, en el sitio documentación de cómo evoluciona un gas cuántico que gira rápidamente y, según los autores, el proceso se asemeja a cómo los efectos de rotación de la Tierra pueden dar lugar a patrones climáticos a gran escala.

Los científicos del MIT estaban interesados ​​en estudiar lo que se llama fluidos cuánticos de Hall. Descubiertos por primera vez en la década de 1980, los fluidos cuánticos de Hall están compuestos por nubes de electrones que flotan en campos magnéticos. En un sistema clásico, los electrones se repelerían entre sí y formarían un cristal. Pero en los fluidos cuánticos de Hall, los electrones imitan el comportamiento de sus vecinos, evidencia de la correlación cuántica.

«La gente descubrió todo tipo de propiedades asombrosas, y la razón de ello fue que en un campo magnético, los electrones (clásicamente) se congelan en su lugar: toda su energía cinética se apaga y lo que queda son puras interacciones». dijo el coautor Richard Fletcher, un físico del MIT. «Entonces surgió toda esta gente. Pero fue extremadamente difícil de observar y comprender».

Por lo tanto, Fletcher y sus coautores pensaron que podrían simular este comportamiento inusual de electrones utilizando nubes de gas cuántico ultrafrías. Conocido como Condensados ​​de Bose-Einstein (BEC), estos gases reciben su nombre en honor a Albert Einstein y al físico indio Satyendra Bose. En la década de 1920, Bose y Einstein predijeron la posibilidad de que la naturaleza ondulatoria de los átomos permitiera que los átomos se dispersaran y se superpusieran entre sí si estaban lo suficientemente cerca.

A temperaturas normales, los átomos actúan como bolas de billar y rebotan entre sí. Bajar la temperatura reduce su velocidad. Si la temperatura desciende lo suficiente (una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto) y los átomos son lo suficientemente densos, las diferentes ondas de materia podrán «sentir» entre sí y coordinarse como si fueran un gran «superátomo».

Los primeros BEC fueron creado en 1995, y en unos pocos años, más de tres docenas de equipos habían replicado el experimento. el Descubrimiento ganador del premio Nobel lanzó una nueva rama de la física. BEC permitir a los científicos estudiar el pequeño y extraño mundo de la física cuántica como si lo estuvieran mirando a través de una lupa, porque un BEC «amplifica» los átomos de la misma manera que los láseres amplifican los fotones.

Los gases atómicos ultrafríos son buenos para simular electrones en sólidos, pero carecen de carga. Esta neutralidad puede dificultar la simulación de fenómenos como el efecto Hall cuántico. La rotación de un sistema neutral de este tipo es una forma de superar este obstáculo.

«Pensamos, hagamos que estos átomos fríos se comporten como si fueran electrones en un campo magnético, pero que pudiéramos controlar con precisión». dijo el coautor Martin Zwierlein, también físico en el MIT. «Entonces podemos visualizar lo que están haciendo los átomos individuales y ver si están obedeciendo a la misma física mecánica cuántica».

Usando una trampa láser, los científicos del MIT enfriaron alrededor de 1 millón de átomos de gas sodio; los átomos enfriados se mantuvieron en su lugar mediante un campo magnético. La segunda etapa es el enfriamiento por evaporación, en el que una red de campos magnéticos conspira para expulsar los átomos más calientes para que los átomos más fríos puedan acercarse. El proceso funciona de la misma manera que ocurre el enfriamiento por evaporación con una taza de café caliente: los átomos más calientes suben a la parte superior de la trampa magnética y «saltan» como vapor.

Estos mismos campos magnéticos también pueden hacer girar los átomos dentro de la trampa a unas 100 rotaciones por segundo. Este movimiento fue capturado en una cámara CCD, gracias a la fluorescencia de los átomos de sodio en respuesta a la luz láser. Los átomos proyectan una sombra que luego se puede observar usando una técnica llamada imagen de absorción.

En 100 milisegundos, los átomos se transformaron en una estructura larga, delgada y con forma de aguja. A diferencia de un fluido clásico (como el humo del cigarrillo), que se adelgaza cada vez más, un fluido cuántico tiene un límite en su fluidez. Los investigadores del MIT descubrieron que las estructuras en forma de aguja que se formaron en sus gases ultrafríos alcanzaron este límite delgado. Los investigadores describieron su gas cuántico giratorio y los hallazgos relacionados el año pasado. en la ciencia.

Este último artículo lleva el experimento del MIT un paso más allá al examinar cómo podría evolucionar el fluido similar a una aguja en condiciones de rotación pura e interacciones atómicas. Resultado: surgió una inestabilidad cuántica, lo que provocó que la aguja de fluido se tambaleara y luego entrara en un sacacorchos. Eventualmente, el fluido cristalizó en una cadena similar a un tornado de gotas giratorias, un cristal cuántico formado completamente a partir de interacciones atómicas en el gas giratorio. La evolución es sorprendentemente similar a las formaciones llamadas Nubes de Kelvin-Helmholtzen el que una nube homogénea comienza a formar dedos sucesivos como resultado de una diferencia de velocidad (velocidad y dirección) entre dos corrientes de viento en la atmósfera.

«Esta evolución está relacionada con la idea de cómo una mariposa en China puede crear una tormenta aquí, debido a inestabilidades que desencadenan turbulencias». dice Zwierlein. «Aquí tenemos el clima cuántico: el fluido, solo por sus inestabilidades cuánticas, se está fragmentando en esta estructura cristalina de nubes y vórtices más pequeños. Y es un gran avance poder ver estos efectos cuánticos directamente».

Aparentemente, este comportamiento fue predicho en un artículo anterior por otros físicos, que el equipo del MIT acaba de descubrir. Y existen posibles aplicaciones prácticas para esta investigación, incluso como sensores rotacionales altamente sensibles para la navegación submarina. submarinos para contar a giroscopios de fibra optica para detectar movimiento giratorio cuando está sumergido, produciendo un patrón de interferencia revelador. Los átomos se mueven más lento que la luz, por lo que un sensor de tornado cuántico sería mucho más sensible, tal vez incluso lo suficientemente sensible como para medir cambios leves en la rotación de la Tierra.

DOI: Naturaleza, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2 (Acerca de los DOI).