Una manzana madura que cae de un árbol ha inspirado a Sir Isaac Newton a formular una teoría que describe el movimiento de los objetos sujetos a una fuerza. Las ecuaciones de movimiento de Newton nos dicen que un cuerpo en movimiento sigue moviéndose en línea recta a menos que alguna fuerza perturbadora pueda cambiar su trayectoria. El impacto de las leyes de Newton es omnipresente en nuestra experiencia diaria, que van desde un paracaidista que cae en el campo gravitacional de la tierra, sobre la inercia que uno siente en un avión acelerando, a la tierra orbitando alrededor del sol.

En el mundo cuántico sin embargo, nuestra intuición para el movimiento de los objetos se ve fuertemente desafiada y, a veces, incluso puede fallar por completo. ¿Qué hay de imaginar una canica cayendo a través del agua oscilando hacia arriba y hacia abajo en lugar de simplemente moverse hacia abajo? Suena extraño. Todavía, eso es lo que el físico experimental de Innsbruck en colaboración con los teóricos de Munich, Paris y Cambridge han descubierto una partícula cuántica. En el corazón de este comportamiento sorprendente está lo que los físicos llaman 'interferencia cuántica', el hecho de que la mecánica cuántica permite que las partículas se comporten como ondas, que pueden sumarse o cancelarse entre sí.

Acercándose a la temperatura cero absoluta

Para observar la oscilación de la partícula cuántica hacia adelante y hacia atrás, el equipo tuvo que enfriar un gas de átomos de cesio justo por encima de la temperatura del cero absoluto y confinarlo a una disposición de tubos muy delgados realizados por rayos láser de alta potencia. Mediante un truco especial, se hizo que los átomos interactuaran fuertemente entre sí. En condiciones tan extremas, los átomos forman un fluido cuántico cuyo movimiento está restringido a la dirección de los tubos. Los físicos luego aceleraron un átomo de impureza, que es un átomo en un estado de giro diferente, a través del gas. Mientras esta partícula cuántica se movía, se observó que las partículas de gas se dispersaban y se reflejaban hacia atrás. Esto condujo a un movimiento oscilatorio, a diferencia de lo que haría una canica al caer al agua. El experimento demuestra que las leyes de Newton no se pueden utilizar en el ámbito cuántico.

Los fluidos cuánticos a veces actúan como cristales

El hecho de que una onda cuántica pueda reflejarse en ciertas direcciones se conoce desde los primeros días del desarrollo de la teoría de la mecánica cuántica. Por ejemplo, los electrones se reflejan en el patrón regular de cristales sólidos, como una pieza de metal. Este efecto se denomina "dispersión de Bragg". Sin embargo, la sorpresa en el experimento realizado en Innsbruck fue que tal cristal no estaba presente para que la impureza se reflejara. En lugar de, era el propio gas de los átomos el que proporcionaba un tipo de orden oculto en su disposición, una propiedad que los físicos denominan "correlaciones". El trabajo de Innsbruck ha demostrado cómo estas correlaciones en combinación con la naturaleza ondulatoria de la materia determinan el movimiento de las partículas en el mundo cuántico y conducen a fenómenos novedosos y emocionantes que contrarrestan las experiencias de nuestra vida diaria.

Comprender la rareza de la mecánica cuántica también puede ser relevante en un ámbito más amplio, y ayudar a comprender y optimizar los procesos fundamentales en los componentes electrónicos, o incluso procesos de transporte en sistemas biológicos complejos.

El estudio se publica en la revista Ciencias .