Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) en Estados Unidos han logrado un avance revolucionario tras capturar las primeras imágenes de átomos individuales interactuando libremente en el espacio.

Las imágenes, que muestran interacciones entre partículas en libertad que hasta ahora solo se habían teorizado, permitirán a los científicos observar directamente fenómenos cuánticos en el espacio real.

Para capturar imágenes detalladas de las interacciones atómicas, el equipo, dirigido por Martin Zwierlein, doctor en Física del MIT y autor principal del estudio, desarrolló una técnica novedosa que permite a los átomos moverse libremente antes de congelarlos brevemente e iluminarlos para capturar sus posiciones.

El equipo utilizó esta técnica para observar nubes de varios tipos de átomos, capturando por primera vez varias imágenes revolucionarias.

Zwierlein afirmó:

“Podemos ver átomos individuales en estas interesantes nubes de átomos y lo que hacen entre sí, lo cual es precioso”.

Mediante microscopía con resolución atómica, los gases cuánticos ultrafríos compuestos por dos tipos de átomos revelan correlaciones espaciales claramente diferenciadas: los bosones de la izquierda muestran agrupamiento, mientras que los fermiones de la derecha muestran antiagrupamiento. Crédito de imagen: Sampson Wilcox

Explorando la nube

Los átomos se encuentran entre los componentes más pequeños del universo, cada uno con un tamaño de solo una décima parte de un nanómetro, aproximadamente un millón de veces más fino que un cabello humano. Además, siguen las extrañas reglas de la mecánica cuántica, lo que hace que su comportamiento sea increíblemente difícil de observar y comprender.

Es imposible conocer al mismo tiempo la posición exacta y la velocidad de un átomo, un principio fundamental de la física cuántica conocido como principio de incertidumbre de Heisenberg.

Esta incertidumbre ha supuesto durante mucho tiempo un reto para los científicos que intentan observar directamente el comportamiento atómico. Sin embargo, los métodos de imagen tradicionales, como la imagen por absorción, solo proporcionan una visión borrosa, ya que captan la forma general de una nube de átomos, pero no los átomos en sí.

Ahora, para superar este reto, el equipo ha desarrollado un nuevo enfoque denominado microscopía con resolución atómica, que comienza permitiendo que una nube de átomos se mueva e interactúe libremente dentro de una trampa láser poco densa.

A continuación, los investigadores activan una red de luz para congelar los átomos en su sitio y utilizan un láser finamente ajustado para iluminarlos, lo que hace que los átomos fluoreszcan —un estado en el que un átomo o una molécula se relaja mediante la relajación vibratoria hasta su estado fundamental después de ser excitado eléctricamente— y revelan sus posiciones exactas.

Capturar esta luz sin perturbar el delicado sistema no fue tarea fácil.

Zwierlein explicó:

“Imagina que acercaras un lanzallamas a estos átomos, no les gustaría nada. Así que, a lo largo de los años, hemos aprendido algunos trucos para hacerlo”.

Según el físico, lo que realmente hace que esta técnica sea más potente que los métodos anteriores es que es la primera vez que se ha hecho in situ, congelando el movimiento de los átomos mientras interactúan fuertemente y observándolos uno tras otro.

Arriba: Dos representaciones muestran cómo los átomos itinerantes en una trampa atómica (rojos) se congelan repentinamente en su lugar mediante una red óptica aplicada y se obtienen imágenes mediante enfriamiento por banda lateral Raman. Abajo: Tres imágenes microscópicas muestran (de izquierda a derecha) 23Na bosónico formando un condensado de Bose-Einstein; un estado de espín único en una mezcla de Fermi 6Li con interacción débil; y ambos estados de espín de una mezcla de Fermi con interacción fuerte, revelando directamente la formación de pares. Crédito de imagen: MIT

Instantáneas cuánticas

Zwierlein y sus colegas utilizaron su nueva técnica de imagen para capturar las interacciones cuánticas entre dos tipos fundamentales de partículas: los bosones y los fermiones.

Los bosones —entre los que se encuentran los fotones, los gluones, el bosón de Higgs y los bosones W y Z—, que tienden a atraerse, se observaron agrupándose en una nube de átomos de sodio a bajas temperaturas, formando un condensado de Bose-Einstein (BEC) en el que todas las partículas comparten el mismo estado cuántico.

Esto confirmó una predicción de larga data basada en la teoría de Louis de Broglie de que la agrupación de bosones es un resultado directo de su capacidad para compartir una onda cuántica, una hipótesis conocida como la onda de Broglie, que contribuyó al auge de la mecánica cuántica moderna.

Zwierlein dijo:

“Entendemos mucho más sobre el mundo gracias a esta naturaleza ondulatoria. Pero es muy difícil observar estos efectos cuánticos ondulatorios. Sin embargo, con nuestro nuevo microscopio, podemos visualizar esta onda directamente”.

Los investigadores también obtuvieron imágenes de una nube con dos tipos de átomos de litio, cada uno de ellos un fermión que normalmente repele a otros de su misma clase, pero que puede interactuar fuertemente con otros tipos específicos de fermiones. A continuación, captaron estos fermiones opuestos emparejándose, lo que reveló un mecanismo clave detrás de la superconductividad.

Ahora planean aplicar la técnica para explorar estados cuánticos más complejos y menos investigados, incluidos los comportamientos desconcertantes observados en la física cuántica de Hall. Entre ellos se incluyen escenarios en los que los electrones que interactúan muestran comportamientos correlacionados inusuales bajo la influencia de un campo magnético.

Zwierlein concluyó en un comunicado de prensa:

“Ahí es donde la teoría se complica de verdad, donde la gente empieza a hacer dibujos en lugar de poder escribir una teoría completa porque no puede resolverla por completo. Ahora podemos verificar si estos dibujos de los estados cuánticos de Hall son realmente reales. Porque son estados bastante extraños”.

En el futuro, el equipo aplicará su técnica de imágenes para visualizar fenómenos más exóticos y menos comprendidos, como la “física Hall cuántica”: situaciones en las que los electrones en interacción muestran nuevos comportamientos correlacionados en presencia de un campo magnético.

Los hallazgos de la investigación titulada “Measuring Pair Correlations in Bose and Fermi Gases via Atom-Resolved Microscopy” han sido publicados en Physical Review Letters.

[FT: MIT News]

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Por: CodigoOculto.com