El fenómeno de la metaestabilidad, en el que un sistema se encuentra en un estado estable pero no el de menor energía, se observa ampliamente en la naturaleza y la tecnología. Todavía, Muchos aspectos subyacentes a los mecanismos que gobiernan el comportamiento y la dinámica de tales sistemas permanecen sin explorar. Los físicos de ETH Zurich ahora han demostrado una plataforma prometedora para estudiar la metaestabilidad en un nivel fundamental, utilizando un gas exquisitamente bien controlado que consta de unos pocos decenas de miles de átomos.

Los ejemplos incluyen nieve en una pendiente en reposo durante días antes de una avalancha, o enlaces en macromoléculas que cambian drásticamente con la activación apropiada; tales sistemas residen durante períodos prolongados en un estado antes de cambiar rápidamente a otro más favorable energéticamente. Se comprenden bien varios aspectos de la metaestabilidad, pero en particular, la dinámica de conmutación de un estado a otro sigue siendo desconocida, ya que hay pocas herramientas disponibles para monitorear directamente dichos procesos.

Lorenz Hruby y sus colegas del grupo de Tilman Esslinger en el Instituto de Electrónica Cuántica han abordado el problema a un nivel muy fundamental. como informan en un artículo que se publicó esta semana en línea en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Crearon estados metaestables en un sistema cuántico artificial de muchos cuerpos, un gas atómico cuyas propiedades cuánticas fundamentales se conocen con precisión y cuyo comportamiento pueden controlar con gran precisión y flexibilidad. En este sistema, Hruby et al. observó dos estados metaestables caracterizados por cómo se ordenan los átomos, recuerda a las distintas estructuras que pueden adoptar las macromoléculas. En tono rimbombante, controlaron con éxito en tiempo real cómo el gas cambiaba entre estos dos estados. Descubrieron que durante el proceso de cambio, varios miles de átomos se mueven a través de un túnel cuántico en la escala de tiempo en la que las partículas individuales cambian de posición.

Como desencadenante de esa "avalancha de túneles, "el equipo identificó procesos en la superficie del gas atómico. Comparando las observaciones experimentales con un modelo teórico, Determinaron que la escala de tiempo de conmutación se establece mediante interacciones entre los propios átomos, en lugar de por parámetros de control externos. Un aspecto fundamental de ese proceso fue la capacidad de los investigadores de permitir que los átomos interactúen simultáneamente en distancias cortas (átomo-átomo) y largas. Esto permite que las partículas se involucren en una intrincada interacción que da lugar a propiedades intrigantes en una amplia variedad de materiales y, al mismo tiempo, para acoplar la superficie del sistema a su núcleo.

El estudio proporciona información fundamental sobre los estados metaestables de la materia y los procesos para cambiar entre estos estados. El alto grado de control demostrado en estos experimentos, junto con la posibilidad de comparar resultados experimentales con modelos teóricos, podría proporcionar una plataforma versátil para estudiar la dinámica de estados metaestables y procesos relacionados con un detalle sin precedentes.