Lo último en física de temperaturas ultrabajas
Hace casi 80 años, Albert Einstein y Satyendra Nath Bose predijeron que los gases de átomos enfriados hasta muy cerca del cero absoluto se comportarían al unísono. En 1995, tres laboratorios produjeron tales condensados de Bose-Einstein y abrieron la puerta para la investigación de las propiedades físicas de átomos a una escala muy fría.
David S. Weiss, profesor asociado de física, de la Universidad del Estado de Pennsylvania, ha presentado investigaciones recientes en sistemas cuánticos unidimensionales.
Estos átomos extremadamente fríos pueden actuar como sistemas modelo para ayudar a los investigadores a entender otros sistemas cuánticos. Sus interacciones pueden ser calculadas y controladas con mucha precisión. En un condensado de Bose-Einstein, los átomos de metales alcalinos son enfriados utilizando láseres y cierta forma de evaporación, hasta que está apenas un poco por encima del cero absoluto. Los bosones, una clase de partículas que prefieren compartir el mismo estado de energía, cuando se enfrían a tales temperaturas, comienzan a actuar al unísono. Las funciones de onda de los átomos -que describen la posición y cantidad de movimiento de cada uno de ellos- se vuelven todas idénticas. Inicialmente, los condensados de Bose-Einstein eran confinados en trampas magnéticas sin rasgos distintivos, pero los investigadores han llevado los experimentos más lejos.
"Colocando los condensados en trampas de luz versátiles, podemos hacer que las funciones de onda atómicas exhiban una conducta notable" -afirma Weiss-. "La mayoría de los fenómenos cuánticos conocidos pueden ser estudiados claramente con átomos extremadamente fríos, y fenómenos desconocidos todavía pueden ser concebidos y observados".
Las trampas a las que Weiss se refiere son trampas de luz creadas por láseres. Reflejando la luz del láser sobre sí misma, los investigadores crean ondas estacionarias inmóviles que, si se crean en una rejilla tridimensional, pueden atrapar los átomos. Cuando este tipo de rejilla se superpone encima de un condensado de Bose-Einstein, los átomos se segregan en trampas individuales, creando una matriz de células diminutas con átomos extremadamente fríos dentro. Conectando y desconectando la rejilla puede cambiarse el sistema desde un superfluido hasta algo llamado aislador de Mott, y de nuevo a un superfluido. Los superfluidos y los aisladores de Mott tienen características cuánticas diferentes.
Weiss, que está usando rubidio-87, lleva la rejilla un paso más allá y crea un gas de Tonks-Girardeau unidimensional. Restringiendo la rejilla en dos direcciones de manera que el movimiento es sólo posible en una dimensión, como si el átomo estuviese en un hilo, Weiss crea un sistema donde los bosones -átomos de rubidio-87- actúan como los fermiones.
A los fermiones, a diferencia de los bosones, no les gusta compartir los estados de energía. Incluso cerca del cero absoluto se evitan unos a otros. En la superconductividad los fermiones actúan como los bosones. En un gas de Tonks-Girardeau, los bosones fuertemente en interacción actúan como fermiones que no interaccionan. Un gas de Tonks-Girardeau unidimensional es uno de los muy pocos sistemas de muchas partículas que se pueden resolver con exactitud por medio de las matemáticas. Esto se hizo en los años 60, pero no había habido ningún sistema experimental.
Ahora, Weiss puede verificar experimentalmente los cálculos matemáticos. Usando estas técnicas, los investigadores podrían entender mejor la superconductividad, formar moléculas cuánticas y quizás acabar creando las primeras computadoras cuánticas.
Junto con el rubidio, algunos otros elementos potenciales para hacer condensados de Bose-Einstein y permitir estudios de física cuántica ultrafría, son el sodio, el cesio, el litio y el yterbio.
Weiss considera a la informática cuántica una manera prometedora de usar átomos ultrafríos. Los átomos pueden actuar como bits cuánticos, o "qubits", con subestados internos que funcionen como los ubicuos 0 y 1 de la informática.
"Sin embargo, las computadoras cuánticas solo pueden hacer una cierta clase de cálculos, factorizar números grandes, por ejemplo" -advierte Weiss-. "Se podrían usar también para simular otros sistemas mecanocuánticos, contestando preguntas que simplemente no se pueden resolver con ninguna computadora clásica concebible".
Las nubes superfluidas de átomos, y los átomos muy fríos enrejillados, no son las únicas posibilidades que los investigadores exploran en la física cuántica ultrafría. Otras áreas relacionadas de investigación incluyen a las redes de vórtices atómicos, la química cuántica coherente y la interferometría atómica.
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