Los átomos ultrafríos revelan sorprendentes efectos cuánticos

Un experimento realizado por científicos del Centro de Viena para la Ciencia y Tecnología Cuánticas ha demostrado que, en el mundo cuántico, la transición hacia el equilibrio térmico es más interesante y más complicada de lo que se pensaba.

Según destaca el trabajo, publicado en ‘Science’, entre un estado ordenado inicial y un estado final estadísticamente mixto, puede emerger un “cuasi-estacionario estado intermedio”. Este estado intermedio ya exhibe algunas propiedades como el equilibrio, pero parte de las características del estado inicial permanecen visibles durante un período de tiempo muy largo.

Este fenómeno se denomina “pre-termalización” y desempeña un papel importante en diversos procesos de no equilibrio en la física cuántica. Podría, por ejemplo, ayudarnos a comprender el estado del universo temprano.

“En estos experimentos se ha comenzado con un gas cuántico unidimensional de átomos ultrafríos, el llamado condensado de Bose-Einstein, que fue dividido rápidamente en dos mediante un atom chip”, ha explicado el profesor Jörg Schmiedmayer.

Cuando las dos partes de la condensación se unen, crean un patrón de interferencia de ondas de materia ordenadas. “La forma de este patrón de interferencia muestra que las dos partes aún no han olvidado que proceden originalmente del mismo átomo”, ha apuntado.

Después de algún tiempo, se espera que la nube atómica escindida tienda al equilibrio térmico. Cuanto más tiempo se añade antes de que las dos mitades se vuelvan a unir, el orden observado en los patrones de interferencia se desintegra. “Lo sorprendente de esto es que el orden no llega directamente a un mínimo. Primero se descompone rápidamente, pero luego se queda en un estado intermedio”, ha apuntado uno de los autores, Michael Gring.

Según los investigadores, “al principio no estaba claro cómo interpretar este fenómeno. Los experimentos tuvieron que ser mejorados y la teoría correspondiente mejor desarrollada”. En estrecha colaboración con el grupo del profesor Eugene Demler de la Universidad de Harvard, estos sorprendentes resultados pudieron ser explicados.

La transición de los sistemas al equilibrio térmico es importante en muchos campos de la física cuántica – después de todo, un experimento cuántico no se puede realizar a una temperatura de cero absoluto. Por lo tanto, los científicos siempre tienen que lidiar con los efectos de temperatura.

La realización de cálculos o el almacenaje de datos en un ordenador cuántico crean estados de no equilibrio, que (al igual que un cubito de hielo en agua caliente) tiende hacia un equilibrio térmico, la destrucción del estado cuántico.

El nuevo estado intermedio también puede ser interesante para la física del plasma quark-gluón. Durante las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, toda la materia del universo estaba en un estado de no-equilibrio del plasma quark-gluón.

Hoy en día, la creación del plasma quark-gluón se lleva a cabo mediante grandes colisionadores de partículas. Estos experimentos han mostrado que ciertos aspectos del plasma tienden hacia un equilibrio térmico mucho más rápido de lo que cabría suponer.

Los procesos asociados con la decadencia de un sistema cuántico hacia el equilibrio térmico también podrían ofrecer información sobre la relación entre la física cuántica y el mundo macroscópico clásico. “Las nubes de átomos ofrecen la posibilidad de estudiar en detalle el cruce fascinante de los estados de no equilibrio hacia el equilibrio térmico”, ha explicado Schmiedmayer, que ha agregado que, “de esta manera, se espera lograr una comprensión más profunda de los procesos de no equilibrio, que son omnipresentes en la naturaleza”.

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Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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