Líquido de iones: cómo una trampa reveló la transición a gas
En la cámara oscura de la trampa, miles de partículas cargadas danzan bajo los campos eléctricos. Al principio se mueven libremente, como una multitud en una plaza, pero en cuanto se enfría la nube, la danza se ralentiza: los iones empiezan a sentirse entre sí, sus pasos se vuelven rígidos. En cierto momento, el movimiento se congela por completo y la nube se convierte en una especie de líquido, donde cada partícula oscila en su lugar pero no puede alejarse mucho. Esta transición de gas a líquido se ha logrado ver directamente por primera vez, midiendo las velocidades de todos los iones simultáneamente.
Durante mucho tiempo, la fase líquida de las nubes de iones solo existía en simulaciones por computadora. Los experimentadores sabían crear un gas diluido, donde los iones casi no interactúan, y un cristal, donde están dispuestos en una red rígida. El estado intermedio, similar a un líquido, se escapaba: para atraparlo, hay que medir las velocidades de miles de partículas en un instante, sin destruir la nube. El grupo del Technion resolvió este problema construyendo una trampa con ocho electrodos y un detector de velocidades que expulsa los iones hacia una pantalla fluorescente.
El truco clave del experimento es que el campo de expulsión es uniforme: desplaza todas las velocidades por igual, sin distorsionar su dispersión. Los físicos enfriaron iones de iterbio-174 con un láser y luego dejaron que la nube se calentara desde un milisegundo hasta casi ocho segundos. Después de cada intervalo, tomaban una "instantánea": expulsaban los iones hacia el detector y obtenían un mapa de velocidades. Por la anchura de ese mapa se podía deducir cuán fuertemente interactúan los iones entre sí.
En nubes calientes, los iones se movían de forma independiente, como un gas, con una frecuencia de oscilación de unos 6,3 kilohercios, es decir, el ion completa seis mil oscilaciones completas por segundo. A medida que se enfriaban, la repulsión mutua ralentizaba el movimiento y la frecuencia disminuía. A las temperaturas más bajas, se volvía cero: los iones quedaban atrapados en sus lugares, conservando solo un temblor colectivo. Ese es el nacimiento del líquido. La transición ocurrió con un parámetro de acoplamiento Γ = 0,6(1), mientras que las simulaciones solían predecir Γ ≈ 2. En otras palabras, el líquido aparece antes de lo que se pensaba.
Además, los autores encontraron un umbral de densidad: al calentar por encima de 510 milisegundos, la tasa de aumento de temperatura cambiaba su exponente de ley de potencia de 0,485(4) a 0,316(2). Esto significa que por debajo del umbral la densidad es casi constante, mientras que por encima la nube se expande como un gas. Esa misma danza que comenzaba como el movimiento libre de una multitud termina con las partículas separándose, perdiendo el contacto entre ellas.
La frecuencia de oscilación de los iones en la trampa es de unos 6 kilohercios, es decir, un ion completa seis mil oscilaciones por segundo. A la temperatura más baja, esta frecuencia cae a cero: los iones literalmente se congelan en sus lugares, aunque la temperatura aún no es el cero absoluto.
En la novela de Arthur C. Clarke "Cita con Rama" se describen densas nubes de partículas cargadas que se comportan como un líquido. Los experimentos con trampas de iones acercan esa exótica realidad al laboratorio.