átomos ultrafríos

Al canario no se lo llevaba a la mina por su canto. El pájaro caía de la percha antes de que el minero notara el monóxido de carbono. En el vacío ultraalto, el papel del canario lo desempeña una nube de cien mil átomos de litio o rubidio.

Un laboratorio cuántico se parece a una cocina donde el cocinero espera un día entero a que se enfríe la placa. Los cúbits superconductores solo funcionan a temperaturas de centésimas de kelvin, y cada ciclo de “enfriar, medir, calentar” se come una jornada.

Una bola de billar flota en el aire. Desde una cerbatana salen diminutos guisantes hacia ella. Cada golpe es apenas perceptible, pero si la bola es muy ligera y casi no vibra por el calor, se pueden distinguir los impactos individuales.

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 receptor de radio del tamaño de la palma de la mano puede medir la potencia de la señal con más precisión que los costosos bancos de laboratorio. En su interior no hay bobinas ni antenas, solo una cabeza de vidrio y una nube de átomos de rubidio enfriados casi hasta el cero absoluto.

En el lejano cosmos existe un objeto hipotético: un agujero negro ultrafrío. Está cargado y se encuentra en un universo en expansión (espacio de Sitter). Su temperatura está cerca del cero absoluto, aproximadamente una billonésima de grado por encima de él.

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.

La materia oscura es el armazón invisible que sostiene a las galaxias. Pero, ¿cómo apareció exactamente? La respuesta estándar es que las partículas de materia oscura dejaron de colisionar y se "congelaron" en la cantidad que vemos hoy. Sin embargo, hay un camino más astuto: el UFO, o congelamiento ultrarrápido.

Imagina un rascacielos construido no con ladrillos individuales, sino con apartamentos tipo estudio completos. Así es exactamente como está estructurado el cristal Au₆Te₁₂Se₈: sus nodos no son átomos, sino clústeres superatómicos de oro y calcógenos que se comportan como objetos cuánticos unitarios.

El vacío no es tan vacío como parece. Si un observador se mueve con aceleración, el vacío a su alrededor se calienta: esto lo predijo William Unruh ya en los años 1970. El efecto es similar a la radiación de un agujero negro, pero en un espacio plano.

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.

El universo es como un pastel de varias capas, donde la nuestra — estrellas, planetas y personas — es solo una de muchas. En la capa vecina, que los físicos llaman sector oculto, bullen sus propios procesos. Este trabajo trata sobre uno de esos procesos: una transición de fase de primer orden, cuando la materia cambia bruscamente de estado, como el agua que se convierte en hielo.

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 agujero negro ordinario es como una estufa que calienta más cuanto menor es su masa. Un agujero diminuto debería incandescer a temperaturas inimaginables y evaporarse al instante.

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.

Golpea una campana y responderá con su nota. Del mismo modo, un agujero negro, perturbado por la caída de una estrella o de otro agujero, comienza a "sonar", emitiendo ondas gravitacionales. Pero en lugar de sonido, es un estremecimiento del propio espacio, y en lugar de una sola nota, un conjunto de frecuencias amortiguadas.

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.

Una orquesta donde cada músico toca su parte y el director intenta captar la melodía general. Así es como los físicos observan los electrones en los cupratos, materiales cerámicos que conducen la corriente sin resistencia a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido.

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.

Un superconductor es un material por el que la corriente fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero para que la tubería sea perfecta, hay que enfriarla a una temperatura muy baja.

Imagina que necesitas examinar un copo de nieve sin dejar que se derrita ni se dañe. Algo así es lo que enfrentan los científicos que quieren estudiar proteínas individuales, esas diminutas máquinas moleculares de la vida. Una proteína en solución tiembla constantemente y se agrupa con sus vecinas, y en un microscopio electrónico el haz la destruye.

Una cacerola de aluminio común en la cocina no emite moléculas que se puedan atrapar con luz. Pero si se toma aluminio y una sal de aluminio, y se calientan juntos en un pequeño horno, se obtiene un flujo de moléculas de fluoruro de aluminio, como un chorro de vapor del pico de una tetera, solo que en lugar de gotas de agua vuelan partículas diminutas.

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 helio enfriado casi hasta el cero absoluto, el líquido deja de rozarse consigo mismo y fluye sin resistencia alguna.

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).

El vidrio de una ventana común parece congelado para siempre, pero en su interior los átomos nunca están quietos. En el telururo de germanio amorfo (GeTe), un material que se usa en discos regrabables y memorias no volátiles, los físicos han rastreado por primera vez de forma directa cómo los enlaces atómicos se estiran y se doblan en billonésimas de segundo.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Las moléculas ultrafrías son un material prometedor para la computación cuántica, pero reunirlas en un arreglo ordenado, como huevos en una caja, no es tarea fácil. Se ha propuesto un método para cargar moléculas una a una en pinzas ópticas o redes directamente desde el gas.

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.

Una capa de electrones atrapada entre dos láminas de un semiconductor, a baja temperatura, se ordena en una red perfecta, como cuentas en un hilo tenso entre los dedos. Cuando la temperatura sube, el orden se rompe: el cristal se funde. Pero cómo ocurre exactamente esa fusión fue durante mucho tiempo un misterio.

En el macrocosmos que conocemos, cualquier movimiento acaba inevitablemente por desvanecerse: interviene la fricción, un proceso disipativo que dispersa la energía. Pero la realidad cuántica nos depara sorpresas.

La luz de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

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.

Desde que Vera Rubin demostró de manera convincente por primera vez que las galaxias están rodeadas de materia invisible, la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los principales objetivos de la física.

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.

Los cubitos de hielo en un vaso se derriten y el agua se mezcla por sí sola. Así se comportan muchos sistemas cuánticos: las partículas intercambian energía y, al cabo de un tiempo, el orden desaparece. Pero si añades una cucharada de miel al vaso, la mezcla se ralentiza, y con frío intenso el agua se congela en vidrio: sin red cristalina, pero también sin fluidez.

El cúbit, el corazón de la computadora cuántica, es como una pompa de jabón: el más mínimo soplo la revienta. En la Tierra, la gravedad tira de las pompas hacia abajo, creando vibraciones, y la agitación térmica de los átomos añade temblor.

Los átomos ultrafríos pueden comportarse como un todo. Si en una nube así nace un нейтрино, normalmente se escapa sin ser notado.

Dos agujeros negros giran en una danza estrecha, y a su alrededor nace algo asombroso: una molécula gravitacional. Una nube de bosones ultraligeros, partículas con masa menor que un electronvoltio, envuelve al par como la nube electrónica en el ion H2+.