Cuando tu corazón late la sangre circula por las arterias en ondas de presión. Estas ondas de presión se manifiestan como tu pulso, un ritmo regular imperturbable por la compleja estructura interna del cuerpo. Los científicos llaman a estas ondas robustas solitones, y en muchos sentidos se comportan más como partículas discretas que como ondas. La teoría del solitón puede ayudar a comprender los tsunamis, que, a diferencia de otras olas de agua, pueden sostenerse a través de vastas distancias oceánicas.

Los solitones también pueden surgir en el mundo cuántico. En la mayoría de las temperaturas, los átomos de gas rebotan como bolas de billar, chocando entre sí y disparándose en direcciones aleatorias, siguiendo las reglas de la física clásica. Cerca del cero absoluto sin embargo, Ciertos tipos de átomos comienzan a comportarse repentinamente de acuerdo con las muy diferentes reglas de la mecánica cuántica, y comenzar una especie de baile coordinado. En condiciones impecables, Los solitones pueden emerger dentro de estos fluidos cuánticos ultrafríos, sobreviviendo durante varios segundos.

Curioso acerca de cómo se comportan los solitones en condiciones menos que prístinas, científicos del Laboratorio de Medición Física del NIST, en colaboración con investigadores del Joint Quantum Institute (JQI), han añadido algo de estrés a la vida de un solitón. Comenzaron enfriando una nube de átomos de rubidio. Justo antes de que el gas pudiera adquirir propiedades uniformes y convertirse en un fluido cuántico homogéneo, un campo magnético de radiofrecuencia persuadió a un puñado de estos átomos a retener su clásico, Estado similar a una bola de billar. Esos átomos son, en efecto, "impurezas" en la mezcla atómica. Luego, los científicos usaron luz láser para separar los átomos en una región del fluido, creando una ola solitaria de baja densidad, un solitón "oscuro".

En ausencia de impurezas, esta región de baja densidad pulsa de manera estable a través del fluido ultrafrío. Pero cuando hay impurezas atómicas, el solitón oscuro se comporta como si fuera una partícula pesada, con átomos de impureza livianos que rebotan en él. Estas colisiones hacen que el movimiento del solitón oscuro sea más aleatorio. Este efecto recuerda a las predicciones de 1905 de Einstein sobre el movimiento aleatorio de partículas, denominado movimiento browniano.

Guiados por este marco, los científicos también esperaban que las impurezas actuaran como fricción y ralentizaran el solitón. Pero sorprendentemente Los solitones oscuros no siguen completamente las reglas de Einstein. En lugar de arrastrar el solitón, las colisiones lo aceleraron hasta un punto de desestabilización. El límite de velocidad del solitón está establecido por la velocidad del sonido en el fluido cuántico, y al exceder ese límite explotó en una ráfaga de ondas sonoras.

Este comportamiento tuvo sentido solo después de que los investigadores cambiaron su perspectiva matemática y recordaron tratar el solitón como si tuviera una masa negativa. Este es un fenómeno peculiar que surge para ciertos comportamientos colectivos de sistemas de muchas partículas. Aquí, la masa negativa se manifiesta por la oscuridad del solitón:es una inmersión en el fluido cuántico en lugar de un pulso alto parecido a un tsunami. Las partículas con masa negativa responden a fuerzas de fricción opuestas a sus primos ordinarios, acelerar en lugar de reducir la velocidad.

"Todas esas suposiciones sobre el movimiento browniano terminaron por irse por la ventana. Nada de eso se aplicó, "dice Hilary Hurst, estudiante de posgrado en JQI y teórico principal del artículo. "Pero al final teníamos una teoría que describía muy bien este comportamiento, lo cual es realmente agradable ".

Lauren Aycock, autor principal del artículo, alabó lo que ella veía como una retroalimentación particularmente fuerte entre la teoría y el experimento, y agrega que "es satisfactorio tener este tipo de colaboración exitosa, donde la medición informa la teoría, que luego explica los resultados experimentales ".

Los solitones en la tierra de los átomos ultrafríos son intrigantes, dicen Aycock y Hurst, porque están lo más cerca posible de observar la interfaz entre los efectos cuánticos y la física ordinaria de la vida cotidiana. Experimentos como este pueden ayudar a responder un profundo acertijo de la física:¿dónde está el límite entre lo clásico y lo cuántico? Además, este resultado puede arrojar luz sobre un problema similar con los solitones en las fibras ópticas, donde el ruido aleatorio puede interrumpir la sincronización precisa necesaria para la comunicación a largas distancias.