Gases cuánticos cond-mat.quant-gas

En una habitación oscura, un rayo láser dibuja un punto brillante en la pared. La luz parece algo cálido e incontrolable, pero los físicos llevan tres décadas usándola como una batuta de director, haciendo que los átomos bailen al unísono.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa rápidamente, tiñendo todo el líquido. Algo similar ocurre con los electrones en un metal: se mueven libremente, como moléculas en un gas. Pero si en ese medio aparece una impureza magnética —un átomo con su propio momento magnético—, sucede algo extraño.

Una nube de moléculas 41K87Rb atrapada en una trampa óptica se expande como la niebla al amanecer. Cada molécula es un par débilmente unido de átomos de potasio y rubidio, al borde de la disociación. Enfriar una nube así hasta casi el cero absoluto sin deshacer las moléculas es una tarea que durante mucho tiempo se resistió.

Dos actores en el mismo escenario. Uno es el fermión, caprichoso y exigente, difícil de hacer que siga las reglas del simulador cuántico. El otro es el bosón, dócil y sin pretensiones, dispuesto a ocupar cualquier lugar. El director espera que el público no note el cambio.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo experimentó una expansión vertiginosa: la inflación. Pero quizás, antes de eso, se contrajo y luego rebotó. Ambos escenarios dejan una huella casi idéntica en la radiación cósmica de fondo, y los cosmólogos llevan décadas debatiendo cuál es el correcto.

En 1867, James Clerk Maxwell imaginó un demonio que clasifica las moléculas de un gas y, con ello, viola la segunda ley de la termodinámica. El demonio necesita conocer las velocidades de las partículas.

En el laboratorio, el tiempo suele correr en la pared: manecillas, dígitos, un patrón de frecuencia. Pero para el universo no hay reloj externo. La ecuación de Wheeler-DeWitt, la ley principal de la gravedad cuántica, no contiene tiempo en absoluto, y todas las teorías fundamentales carecen de una flecha del tiempo incorporada.

Una cuerda tensa entre dos quarks no se rompe al instante, como una goma elástica. Primero vibra, aparecen nodos en ella, y solo después se rompe, si es que se rompe.

Los físicos utilizaron un simulador cuántico —un dispositivo que imita el comportamiento de partículas cargadas— para estudiar sus colisiones a energías enormes. Según el Modelo Estándar, las leyes del micromundo, el sistema debería transitar rápidamente al caos, donde la entropía es máxima.

Según la teoría de Einstein, la rotación de la Tierra arrastra consigo el espacio-tiempo, como una cuchara arrastra miel espesa. Este efecto es increíblemente débil: aproximadamente una vuelta cada miles de millones de años. Pero se puede captar.

El mosaico de Penrose, armado con dos tipos de baldosas, recubre el plano sin un patrón repetitivo — maravilla matemática descubierta por Roger Penrose, que ha obtenido una realización física en el mundo cuántico.

Todo tiende al equilibrio: el té se enfría, el péndulo se aquieta. La medida de este movimiento es la entropía, el desorden creciente. Pero a veces el agua caliente se congela antes que la tibia. El efecto Mpemba no es solo una curiosidad: también se manifiesta en el mundo cuántico.

Los átomos, como hilos en una trenza, siguen una regla estricta: si un hilo está «cargado», los vecinos deben guardar silencio. Este fenómeno — bloqueo de Rydberg — permite trenzar patrones cuánticos estables. En tales patrones surge un orden topológico: una estructura donde lo que importa es el dibujo de los entrelazamientos, no los bucles individuales.

La ley descubierta por Wolfgang Pauli prohíbe que partículas idénticas ocupen el mismo lugar. Por eso, en la materia fría surge el mar de Fermi: las partículas, como el agua, llenan los niveles de energía de abajo hacia arriba. La forma de la superficie del mar — incluyendo «islas» de vacíos — dicta las propiedades de todo el sistema.

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.

El helio superfluido helio fluye sin fricción, y en él nacen vórtices — embudos microscópicos, parecidos a los remolinos en el agua. Dos de estos vórtices pueden jugar a la pídola: uno salta sobre el otro, y brincan en círculo. Este juego fue predicho por Richard Feynman en la década de 1950.

Un cuerpo supersólido es hielo que fluye. Como un estanque cubierto por una costra, pero con una profundidad líquida sin fricción. Normalmente, esa costra se crea alterando las propiedades de todo el líquido. Un grupo de investigadores del helio encontró un método más sencillo: hicieron vibrar la superficie con ondas especiales, y el líquido adquirió por sí mismo una «piel» sólida.

Los cristales de tiempo pulsan en el tiempo, como un metrónomo eterno que no necesita cuerda. La idea fue propuesta por Frank Wilczek hace casi diez años. Antes, para que ese metrónomo no se desajustara, se introducía deliberadamente desorden en el sistema — una paradoja, pero el caos ayudaba al ritmo.

Los átomos han sido atrapados en un anillo de luz. No es una metáfora: los rayos láser forman una trampa anular en cuyo interior los átomos se mueven en círculos. La luz no solo los mantiene confinados, sino que también vincula la rotación del átomo con su "brújula" interna: el espín.

La nube atómica ultrafría, similar a la niebla, sugiere que la gravedad podría no funcionar según Newton. En los bordes de las галактик las estrellas se mueven más rápido de lo esperado, y la teoría MOND modifica la ley de la gravedad a grandes distancias, eliminando la necesidad de la тёмной материи.

El Universo pudo haber nacido de un estado inestable: el vacío falso. Es como un vaso de agua superenfriada: la más mínima perturbación la convierte en hielo. De igual forma, en el vacío falso una diminuta burbuja de vacío verdadero puede crecer hasta convertirse en todo un Universo.

Dos partículas se aferran la una a la otra, como montañeros encordados, y vuelan hacia la pared. ¿Chocarán y rebotarán juntas, o se romperá la cuerda? ¿De qué depende? Los físicos consideraron el caso más simple: todo ocurre en una línea recta, las partículas se atraen solo cuando están en el mismo punto, y la pared es absolutamente rígida.

Dentro de una diminuta cavidad reflectante, más pequeña que el grosor de un cabello, la luz queda atrapada y se refleja repetidamente en las paredes. Si se coloca allí una sustancia capaz de absorber y emitir luz, las partículas de luz (fotones) comienzan a "vestirse" con las excitaciones de la materia, dando lugar a los modos polaritónicos.

La luz ordinaria es un flujo de partículas independientes: los fotones se atraviesan unos a otros sin notar a sus vecinos. Pero en circuitos superconductores enfriados casi hasta el cero absoluto, la situación cambia. Allí, los fotones viajan por estrechos caminos de metal, y si en esos caminos se incrustan diminutos elementos llamados uniones de Josephson, la luz comienza a "sentirse" a sí misma.

En una nube fría de átomos de sodio y rubidio, los físicos han ensamblado por primera vez moléculas que giran como peonzas lanzadas. Normalmente, en los experimentos ultracold, los átomos se unen en pares sin rotación, como dos personas que se toman de la mano y permanecen quietas.

Tira un puñado de guisantes en una cazuela con sémola: los guisantes se hundirán rápido, apartando los granos. Pero si haces la sémola muy espesa y pegajosa, los guisantes se quedarán atrapados. Algo parecido hicieron los átomos ligeros de litio en una nube de átomos pesados de potasio a temperaturas de millonésimas de grado por encima del cero absoluto.

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.

Una computadora cuántica se parece a una orquesta donde cada músico toca su parte. Con pocos instrumentos, el director puede manejar a cada uno por separado. Pero cuando hay miles de músicos, las órdenes individuales se vuelven inmanejables.

Los físicos construyeron una cadena de átomos de Rydberg: átomos con electrones en órbitas enormes, del tamaño de trayectorias planetarias. Estos átomos gigantes sienten fuertemente a sus vecinos, convirtiendo la cadena en un análogo cuántico de una cuerda.

Un vórtice en un gas superfluido se parece a un remolino en un lavabo: el líquido gira alrededor de un núcleo vacío. Si se retuerce ese vórtice tres veces más fuerte de lo normal, no se sostiene: se descompone en tres remolinos separados, como un chorro de agua grueso se rompe en gotas.

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.

La goma elástica está estirada y, de repente, se rompe. En el mundo de los átomos hay una imagen similar: la cuerda que une las partículas puede romperse. En un nuevo trabajo, los físicos tomaron una cadena de átomos de Rydberg y siguieron cómo se rompe esa cuerda.

Un agujero negro es un lugar del que ni siquiera la luz puede escapar. Pero la teoría cuántica dice que, aun así, brilla débilmente. Ese resplandor se llama radiación de Hawking. En el espacio no se puede observar: es demasiado débil. Por eso los físicos construyen modelos de agujeros negros con materiales ordinarios.

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.

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.

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.

Las baldosas comunes forman un patrón repetitivo. Pero los átomos pueden hacer más: en ciertas condiciones, ellos mismos crean un mosaico complejo donde el diseño nunca se repite, como en los paneles de azulejos antiguos.

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.

Los físicos tomaron 114 átomos de rubidio, los enfriaron a temperaturas cercanas al cero absoluto (como en los experimentos con helio líquido helio) y los colocaron cuidadosamente en un patrón de panal de abejas.

Una diminuta nube de átomos, enfriada a millonésimas de grado por encima del cero absoluto, flota en una trampa anular. Parece un collar luminoso, pero los físicos la han hecho vivir en la superficie de un rosco invisible. Con rayos láser e impulsos de microondas, tres estados internos de los átomos se enlazaron en un ciclo.