El mundo cuántico es elegante y misterioso. Es una esfera de existencia donde se rompen las leyes de la física experimentadas en la vida cotidiana:las partículas pueden existir en dos lugares a la vez, pueden reaccionar entre sí a grandes distancias, y ellos mismos parecen confundidos sobre si son partículas u ondas. Para aquellos que no están involucrados en el campo, este mundo puede parecer insignificante, pero recientemente, Investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han descrito teóricamente dos estados cuánticos que son extraordinarios tanto en la física que los define como en su atractivo visual:un sistema cuántico complejo que simula la física clásica y un estado fascinante parecido a un collar. . Su estudio se publica en la revista Revisión física A .

La búsqueda de estos estados comienza con una dona, o mejor, un recipiente en forma de rosquilla que alberga un superfluido giratorio. Este superfluido que es un fluido que se mueve sin fricción, está hecho de condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) que comprenden partículas sin carga que se enfrían a casi cero grados kelvin, una temperatura tan fría, que no existe en el universo fuera de los laboratorios. A esta temperatura, las partículas comienzan a exhibir propiedades extrañas:se agrupan, y eventualmente se vuelven indistinguibles entre sí. En efecto, se convierten en una sola entidad y, por tanto, se mueven como una sola.

Dado que este superfluido giratorio BEC está operando a escala cuántica, donde reinan distancias minúsculas y bajas temperaturas, las características físicas de su rotación no son las que se ven en el mundo clásico. Piense en un padre que balancea a su hija en un círculo por los brazos. La física clásica exige que las piernas del niño se muevan más rápido que sus manos alrededor del círculo, ya que sus piernas deben viajar más lejos para hacer un giro completo.

En el mundo de la física cuántica, la relación es la contraria. "En un superfluido ... las cosas que están muy lejos [del centro] se mueven muy lentamente, mientras que las cosas [que] están cerca del centro se mueven muy rápido, "explica el profesor de la OIST Thomas Busch, uno de los investigadores involucrados en el estudio. Esto es lo que está sucediendo en la dona superfluida.

Además, el superfluido dentro de la rosquilla muestra un perfil de densidad uniforme, lo que significa que se distribuye uniformemente alrededor de la rosquilla. Esto sería lo mismo para la mayoría de los líquidos que giran mediante reglas clásicas o cuánticas. Pero, ¿qué pasa si se agrega otro tipo de BEC, ¿Uno que está hecho de una especie atómica diferente y que no se puede mezclar con el BEC original? Como aceite y agua, los dos componentes se separarán de manera que se minimice el área en la que se tocan y formarán dos semicírculos en lados opuestos del recipiente de rosquillas.

"El límite más corto [entre los componentes] está en la dirección radial, "Dra. Angela White, primer autor del estudio, explica. Los dos componentes se separan en diferentes mitades de la rosquilla a lo largo de este límite, que se crea al pasar por el radio de la nuez. En esta configuración, utilizarán menos energía para permanecer separados de lo que lo harían a través de cualquier otro.

En lo inmiscible o no mezclable, configuración que se muestra en la Figura 1, el mundo cuántico sorprende. Dado que el límite entre los dos superfluidos debe permanecer alineado a lo largo de la dirección radial, el superfluido presente en este límite debe rotar como un objeto clásico. Esto sucede para mantener ese estado de baja energía. Si en el límite los superfluidos continuaban girando más rápido en el interior, entonces los dos semicírculos empezarían a torcerse, alargando la línea que los separa, y por lo tanto requieren más energía para mantenerse separados. El resultado es una especie de mimetismo de la física clásica, donde el sistema parece saltar al reino clásico, facilitado por el complejo comportamiento de la mecánica cuántica.

En este punto, la dona superfluida ha alcanzado su primer estado extraordinario que imita la rotación clásica. Pero se necesita un paso más para transformar este sistema ya alucinante en el objetivo final del collar:el acoplamiento de órbita giratoria.

"De una manera muy abstracta, [giro es] solo una cosa que tiene dos estados posibles, "Busch explica." Puede ser de esta manera o puede ser de esa manera ". Para este experimento, que involucra partículas que no tienen carga, o sin giro, los investigadores "fingieron" un giro asignando una propiedad de "esto o aquello" a sus partículas.

Al acoplar las partículas en función de esta propiedad, los dos semicírculos dentro de la rosquilla se rompen en múltiples partes alternas, formando así la configuración del collar (Figura 2). Profundizando más en su composición, Los investigadores encontraron que la cantidad de "perlas" en el collar depende de la fuerza del acoplamiento de la órbita y el giro y, más sorprendentemente, que siempre debe haber un número impar de estas perlas.

Los investigadores han predicho antes los collares cuánticos, pero se sabía que eran inestables:se expandían o se disipaban hasta el olvido poco tiempo después de su creación. En este modelo teórico, los investigadores de OIST creen que han encontrado una manera de crear un collar estable, uno que permitiera más tiempo para estudiarlo y apreciar su refinada majestuosidad.