El agua en una taza se enfría en minutos. El gas en una habitación la llena uniformemente en segundos. Pero si metes átomos en un tubo del grosor de un rayo láser y los excitas bien, tardarán varios segundos en «enfriarse» hacia el equilibrio: toda una eternidad a escala atómica.
Los experimentadores tomaron una nube de átomos de rubidio y la enfriaron hasta el estado de condensado de Bose-Einstein, cuando todos los átomos se funden en una sola onda cuántica. Luego colocaron esa nube en una débil red óptica (una «tabla de lavar» de luz) y desplazaron la trampa para que los átomos quedaran en una pendiente. Gracias al efecto Wannier-Stark, los átomos primero se quedaron atascados en su lugar y luego comenzaron a filtrarse hacia arriba en energía mediante el túnel cuántico de Landau-Zener.
El resultado fue un conjunto de átomos con una energía alta casi idéntica, como si todas las bolas de billar estuvieran a la misma altura en una colina. Ese estado se llama microcanónico: la energía está fija, pero dentro de esa energía son posibles distintos microestados.
Y aquí viene lo más interesante. Los átomos no se dispersaron de inmediato por todos los estados posibles, como predice la termodinámica ordinaria. En cambio, conservaron la «memoria» del empaquetamiento inicial durante varios segundos. Con aprendizaje automático, los científicos reconstruyeron la función de Wigner, una especie de mapa de la distribución de los átomos en coordenadas e impulsos, y vieron cómo la distribución microcanónica se transforma lentamente en canónica (la que describe el balance térmico habitual).
Para describir este proceso, los autores modificaron la ecuación de Boltzmann, la ecuación clásica que describe cómo chocan las partículas. Le añadieron términos que tienen en cuenta la débil violación de la integrabilidad y obtuvieron un buen acuerdo con el experimento.
El resultado es importante no solo para la física de átomos fríos. Muchos sistemas cuánticos, desde superconductores hasta computadoras cuánticas, viven en un régimen donde la violación de la integrabilidad es débil, y comprender cómo alcanzan el equilibrio es crucial para predecir su comportamiento. Los átomos en el tubo se convirtieron en un laboratorio ideal para estudiar esa transición.
En un tubo unidimensional, los átomos no pueden rodearse unos a otros: las colisiones solo ocurren de frente, y eso limita drásticamente el intercambio de energía. Por eso el equilibrio térmico tarda tanto.