El mundo que experimentamos se rige por la física clásica. Cómo nos movemos, dónde estamos y qué tan rápido vamos están determinados por la suposición clásica de que solo podemos existir en un lugar en cualquier momento en el tiempo.
Pero en el mundo cuántico, el comportamiento de los átomos individuales se rige por el misterioso principio de que la ubicación de una partícula es una probabilidad. Un átomo, por ejemplo, tiene una cierta posibilidad de estar en un lugar y otra posibilidad de estar en otro lugar, en el mismo momento exacto.
Cuando las partículas interactúan, puramente como consecuencia de estos efectos cuánticos, debería producirse una serie de fenómenos extraños. Pero observar un comportamiento tan puramente mecánico cuántico de partículas que interactúan en medio del abrumador ruido del mundo clásico es una tarea complicada.
Ahora, los físicos del MIT han observado directamente la interacción de las interacciones y la mecánica cuántica en un estado particular de la materia: un fluido giratorio de átomos ultrafríos. Los investigadores han predicho que, en un fluido en rotación, las interacciones dominarán y conducirán a las partículas a exhibir comportamientos exóticos nunca antes vistos.
En un estudio publicado hoy en Naturaleza, el equipo del MIT ha rotado rápidamente un fluido cuántico de átomos ultrafríos. Observaron cómo la nube de átomos inicialmente redonda se deformaba por primera vez en una estructura delgada con forma de aguja. Luego, en el punto en que los efectos clásicos deberían suprimirse, dejando únicamente las interacciones y las leyes cuánticas para dominar el comportamiento de los átomos, la aguja se rompió espontáneamente en un patrón cristalino, parecido a una cadena de tornados cuánticos en miniatura.
«Esta cristalización está impulsada únicamente por interacciones y nos dice que estamos pasando del mundo clásico al mundo cuántico», dice Richard Fletcher, profesor asistente de física en el MIT.
Los resultados son la primera documentación directa in situ de la evolución de un gas cuántico de rápida rotación. Martin Zwierlein, profesor de física Thomas A. Frank en el MIT, dice que la evolución de los átomos giratorios es muy similar a cómo la rotación de la Tierra genera patrones climáticos a gran escala.
«El efecto de Coriolis que explica el efecto de rotación de la Tierra es similar a la fuerza de Lorentz que explica cómo se comportan las partículas cargadas en un campo magnético», señala Zwierlein. «Incluso en la física clásica, esto da lugar a la formación de patrones intrigantes, como nubes que envuelven la Tierra en hermosos movimientos en espiral. Y ahora podemos estudiar esto en el mundo cuántico».
Los coautores del estudio incluyen a Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Parth B. Patel, Zhenjie Yan, Cedric Wilson y Valentin Crépel, todos afiliados al MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms y al Research Laboratory of Electronics del MIT.
Suplentes giratorios
En la década de 1980, los físicos comenzaron a observar una nueva familia de materia conocida como fluidos de Hall cuánticos, que consiste en nubes de electrones que flotan en campos magnéticos. En lugar de repelerse entre sí y formar un cristal, como predeciría la física clásica, las partículas ajustaron su comportamiento a lo que hacían sus vecinas, de forma cuántica y correlacionada.
«La gente descubrió todo tipo de propiedades sorprendentes, y la razón fue que, en un campo magnético, los electrones se congelan (clásicamente) en su lugar: toda su energía cinética se apaga y lo que queda son puras interacciones», dice Fletcher. «Entonces, todo este mundo surgió. Pero fue extremadamente difícil de observar y comprender».
En particular, los electrones en un campo magnético se mueven en movimientos muy pequeños que son difíciles de ver. Zwierlein y sus colegas razonaron que, dado que el movimiento de los átomos en rotación ocurre en escalas de longitud mucho mayores, podrían usar átomos ultrafríos como sustitutos de los electrones y observar una física idéntica.
«Pensamos, hagamos que estos átomos fríos se comporten como si fueran electrones en un campo magnético, pero que pudiéramos controlar con precisión», dice Zwierlein. «Entonces podemos visualizar lo que están haciendo los átomos individuales y ver si obedecen a la misma física mecánica cuántica».
El tiempo en un carrusel
En su nuevo estudio, los físicos utilizaron láseres para atrapar una nube de aproximadamente 1 millón de átomos de sodio y enfriaron los átomos a temperaturas de aproximadamente 100 nanokelvins. Luego usaron un sistema de electroimanes para generar una trampa para confinar los átomos, y colectivamente hicieron girar los átomos, como canicas en un tazón, a unas 100 rotaciones por segundo.
El equipo tomó imágenes de la nube con una cámara, capturando una perspectiva similar a la de un niño cuando mira hacia el centro en un carrusel de juegos. Después de unos 100 milisegundos, los investigadores observaron que los átomos giraban en una estructura larga en forma de aguja, que alcanzaba una delgadez cuántica crítica.
«En un fluido clásico, como el humo del cigarrillo, seguiría diluyéndose», dice Zwierlein. «Pero en el mundo cuántico, un fluido alcanza un límite en lo delgado que puede llegar a ser».
«Cuando vimos que había alcanzado este límite, teníamos buenas razones para pensar que estábamos llamando a la puerta de una física cuántica interesante», agrega Fletcher, quien con Zwierlein, publicó los resultados hasta este punto en un artículo anterior. Ciencias papel. «Entonces la pregunta era, ¿qué haría este fluido delgado como una aguja bajo la influencia de la rotación y las interacciones puras?»
En su nuevo artículo, el equipo llevó su experimento un paso más allá, para ver cómo evolucionaría el fluido con forma de aguja. A medida que el fluido continuaba girando, observaron que comenzaba a aparecer una inestabilidad cuántica: la aguja comenzó a temblar, luego se convirtió en un sacacorchos y finalmente se rompió en una cadena de manchas giratorias, o tornados en miniatura, un cristal cuántico que surge puramente de la interacción. de la rotación del gas, y las fuerzas entre los átomos.
«Esta evolución se conecta con la idea de cómo una mariposa en China puede crear una tormenta aquí, debido a las inestabilidades que desencadenan turbulencias», explica Zwierlein. «Aquí tenemos el clima cuántico: el fluido, solo por sus inestabilidades cuánticas, se fragmenta en esta estructura cristalina de nubes y vórtices más pequeños. Y es un gran avance poder ver estos efectos cuánticos directamente».
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval, la Beca de la Facultad Vannevar Bush y DARPA.
