átomo de Rydberg

Las moléculas de Rydberg se asemejan a una pareja de bailarines que se toman de las manos con los brazos extendidos. Uno de los compañeros es un ion, el otro es un átomo, y el vínculo entre ellos es débil, como un hilo invisible. Esta pareja puede existir solo un instante, pero ese instante se estira hasta microsegundos: toda una eternidad a escala del micromundo.

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

Una orquesta de miles de millones de átomos de cesio tocó una sola nota, y sonó durante 17 horas sin apagarse. No es hipérbole: físicos chinos crearon un cristal temporal continuo con un tiempo de vida récord. Un cristal temporal es un sistema que rompe la simetría temporal y pulsa espontáneamente con un ritmo inmutable.

El entrelazamiento cuántico — fenómeno en el que los estados de dos o más partículas están correlacionados independientemente de la distancia entre ellas — suele vincular propiedades internas como el espín o la polarización.

El núcleo atómico rara vez es una esfera perfecta. Más a menudo se parece a un balón ligeramente abollado: la carga eléctrica en su interior se distribuye de manera desigual, y los protones pueden desplazarse un poco, creando una diminuta protuberancia «en forma de pera».

Un niño en un columpio: si lo empujas con demasiada fuerza, sale disparado. Así, aproximadamente, la luz intensa arranca electrones de los átomos. Parecería que cuanto más fuerte es el empujón, más segura es la destrucción. Pero en el mundo cuántico todo es distinto: cuando la fuerza del campo supera cierto umbral, el átomo se congela de repente.

Cuatro pequeños charcos, y en ellos chapotean gotas de un líquido superfluido. Estas gotas son átomos enfriados casi hasta el cero absoluto y unidos en pares, como pequeños imanes. Cuando toda la estructura gira, el líquido fluye entre los charcos. Basta con contar cuántas gotas hay en cada uno para conocer el ángulo y la velocidad de rotación.

Si lanzas un puñado de monedas a una caja con compartimentos, cada una caerá en su casillero y permanecerá allí para siempre. Más o menos así se comportan los átomos en una red óptica especial cuando se excitan con un láser. Estos átomos se llaman de Rydberg: uno de sus electrones se desplaza a una órbita muy lejana, y el átomo se vuelve sensible a sus vecinos.

Una pelota grande y pegajosa, si la arrojas sobre un estante polvoriento, rebotará y levantará polvo, pero si la haces rodar despacio, recogerá cada mota de suciedad. Así se comportan los excitones de Rydberg, unos 'átomos' gigantes dentro del cristal, llamados así en honor a Johannes Rydberg.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director los guía a todos a la vez. En una computadora cuántica de átomos neutros, el papel del director lo desempeña un rayo láser que debe dar en el blanco sin desviarse ni una fracción de segundo.

Una antena común capta ondas de radio, pero hay campos que casi no percibe. Hablamos de campos eléctricos lentos, aquellos que cambian una vez por segundo o menos. Para ellos, los físicos han construido un sensor a partir de un haz de átomos de rubidio.

Dentro de una cápsula de vidrio del tamaño de un guisante flotan átomos de rubidio. Un rayo láser los lleva a un estado especial, el estado de Rydberg, en el que el electrón se aleja mucho del núcleo y el átomo se vuelve extraordinariamente sensible a los campos externos.

Las ondas de radio que oscilan menos de una vez por segundo atraviesan la tierra y el agua casi sin pérdidas. Estas señales se usan para comunicarse con submarinos y para buscar minerales. Pero una antena convencional para ellas necesitaría cientos de metros de largo, y su sensibilidad deja mucho que desear.

Una computadora cuántica es como una orquesta donde cada músico toca su parte, pero todos deben sonar en armonía. Hasta ahora, la mayoría de los circuitos cuánticos se construían con átomos idénticos, como si la orquesta tuviera solo violines. Ahora, los físicos han logrado que dos elementos distintos trabajen juntos: rubidio y cesio.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

La luz que un átomo emite o absorbe es como una huella dactilar: cada elemento tiene su propio patrón de líneas. En el ion de iterbio (un átomo que ha perdido un electrón) se han encontrado tres nuevas líneas que antes no se utilizaban. Estas líneas son muy estrechas, como rendijas finas en una valla a través de las cuales se ve lejos y con nitidez.

Catorce átomos de rubidio se alinearon como cuentas en un hilo. Cada átomo es un pequeño imán que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Juntos obedecen reglas estrictas, similares al horario de un tren: todo es predecible, todo se repite. Pero basta con introducir un cambio casi imperceptible para que el horario se descarrile.

Un receptor de radio común capta ondas con una antena de metal. Aquí, en cambio, la antena es un único átomo cuyo electrón ha sido lanzado a una órbita lejana, como un satélite en una órbita alta alrededor de la Tierra. Estos átomos se llaman de Rydberg.

Una campana no suena con una sola nota: tras el golpe, resuenan varias armónicas a la vez. Algo parecido ocurre con el núcleo atómico: después de una colisión, puede vibrar, y esas vibraciones se detectan en los rayos gamma emitidos. Pero en el núcleo de niobio-104, con 41 protones y 63 neutrones, las armónicas resultaron ser más de las esperadas.

El vacío no siempre está vacío: puede ocultar energía, como el agua superenfriada esconde hielo. Los físicos llaman a esto falso vacío, un estado que solo necesita un empujón para transitar en cascada hacia el verdadero.

Dos gotas de agua tiemblan sincronizadas porque las une una pajita. Así ocurre con las partículas entrelazadas: su unidad quizá se sostiene gracias a un agujero de gusano microscópico.