gas cuántico

Si empujas agua en un canal estrecho demasiado rápido, se forma una ola empinada que rompe en espuma. En el mundo de los átomos ultrafríos, enfriados casi hasta el cero absoluto, las leyes cuánticas impiden que esa ola rompa.

En una nube ultrafría de átomos, enfriada casi hasta el cero absoluto, aparecen regiones con diferente orientación de espín, como zonas con distinta magnetización. Los límites entre ellas se denominan paredes de dominio. Normalmente están inmóviles, pero en este experimento las paredes se pusieron en movimiento por sí solas.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Si rota, puede amplificar las ondas a su alrededor, como un eco de montaña que repite el sonido. Para la materia oscura ultraligera (partículas miles de millones de veces más ligeras que el electrón), este efecto, llamado superradiancia, podría crear una nube enorme.

El plasma no es solo un gas caliente, sino toda una orquesta de partículas cargadas, donde cada grupo toca su propia parte. Los iones pesados (átomos que han perdido electrones) marcan el ritmo lento, mientras que los electrones ligeros se mueven diez mil veces más rápido.

En el centro de muchas galaxias se esconde una nube invisible: el halo de materia oscura. Si esta materia es lo bastante fría y ligera, se comporta como un líquido superfluido: fluye sin fricción y cualquier rotación se enrolla en diminutos vórtices cuánticos, hilos del tamaño de un núcleo atómico.

A temperaturas de milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto nace el condensado de Bose-Einstein: un estado donde miles de átomos marchan en una misma clave cuántica.

Un átomo solitario de potasio cae en una nube densa de átomos de sodio enfriada casi hasta el cero absoluto. Este medio se llama condensado de Bose-Einstein: todas las partículas se funden en una única onda cuántica. Cabría esperar que la impureza simplemente eligiera a un vecino y formara un par. Pero el experimento mostró algo distinto.

En el mundo cuántico, las partículas pueden fusionarse en un único líquido que fluye sin fricción. Una de sus formas más enigmáticas es el líquido cuántico fraccionario de Hall. En él, los electrones o átomos se mueven como un vórtice único, y su carga se divide en fracciones, como un pastel cortado en porciones perfectamente iguales.

En el centro de muchas galaxias se esconde un halo invisible de materia oscura que mantiene a las estrellas en los bordes, impidiendo que se dispersen. Durante mucho tiempo se describió como un gas tenue de partículas, pero un nuevo trabajo propone una visión diferente: la materia oscura podría reunirse en una gota cuántica.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Un cristal de tiempo se asemeja a un reloj eterno: sus átomos realizan movimientos rítmicos por sí mismos. En un reloj normal, un resorte o una pila empuja el péndulo, pero aquí el movimiento surge sin aporte de energía: el sistema simplemente vuelve a su estado inicial a intervalos regulares. Esta idea fue propuesta por Frank Wilczek en 2012.

Dos chorros paralelos de átomos, emitidos por condensados de Bose, inician su viaje en caída libre. En la imagen clásica, su separación permanece constante, como dos esquiadores deslizándose por una pendiente perfectamente lisa.

Acaban de dejar de remover una olla de agua: los remolinos y torbellinos se van calmando poco a poco y el líquido se vuelve liso. Un proceso similar, pero en el mundo cuántico, ocurre en el helio superfluido o en una nube de átomos ultrafríos.

Imagina dos coros en salas insonorizadas sobre un escenario tambaleante. Cantan, pero no pueden oírse — el aire no transporta la melodía. Pero si el escenario tiembla, sus vibraciones conectan sus canciones. Esa es la idea detrás de una nueva prueba para la gravedad cuántica.

Una nube fría de átomos se parece a un enjambre de luciérnagas que se sienten atraídas entre sí. La atracción entre los átomos intenta reunirlos en una masa densa. Pero el temblor cuántico —el movimiento inevitable de las partículas— impide que la masa colapse. Cuando la atracción es fuerte, la nube se divide en cúmulos separados.

Una piedra lanzada cae con aceleración, y por el tiempo de caída se puede calcular la fuerza de gravedad. Los científicos repiten este experimento con una nube de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. Esa nube cae en una cámara de vacío, y los pulsos láser dividen sus ondas, como la luz en un interferómetro.

Una nube ultrafría de átomos atrapada en una trampa de luz láser sabe «respirar»: se contrae y se expande rítmicamente, como unos pulmones. Los físicos saben observar esta respiración desde hace tiempo, pero solo ahora han comprendido que su amplitud no es solo una imagen bonita, sino un medidor preciso de las ocultas vibraciones energéticas dentro de la nube.

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.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

Las luciérnagas destellan en un bosque oscuro: se ve cada destello, pero no el vuelo. El microscopio de gas cuántico puede mostrar átomos fríos individuales, como esas luciérnagas. Pero hasta ahora no podía decir a qué velocidad se movían. Ahora los científicos han encontrado la manera de solucionarlo.

En una cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

Durante mucho tiempo, los cosmólogos no pudieron mirar más allá del punto de inicio: la singularidad infinitamente densa del Big Bang, donde las ecuaciones de la relatividad general de Einstein pierden su poder predictivo.

Una nube diminuta de 300 000 átomos de iterbio, enfriada casi hasta el cero absoluto, viajó por una pista de luz de 34 centímetros de largo, como si se transportara una carga frágil por un camino lleno de baches sin que se desparramara.

En una nube ultrafría, los átomos de potasio se comportan como ondas que pueden superponerse y amplificarse mutuamente, de forma parecida a como las ondas sonoras en un instrumento musical producen un acorde fuerte. Los físicos han aprendido a controlar este proceso variando la fuerza de interacción entre los átomos mediante un campo magnético.

La luz y la materia en el mundo diminuto siguen leyes difíciles de calcular incluso con supercomputadoras. Los físicos construyen 'simuladores cuánticos' especiales: instalaciones donde átomos fríos hacen el papel de partículas y campos.

Enfriar suele imponer orden: el agua se congela en hielo. Pero en el mundo cuántico, el orden adopta formas inesperadas. Los experimentadores enfriaron polaritones —partículas que son a la vez luz y materia— casi hasta el cero absoluto.

La materia oscura es un océano invisible que, como mostraron las observaciones de Vera Rubin, evita que las estrellas se dispersen en las galaxias.

En los laboratorios de la Tierra, el condensado de Bose-Einstein se obtiene enfriando una nube de átomos hasta millonésimas de kelvin. Los átomos pierden su individualidad y se funden en una única onda cuántica que se comporta como un todo.