Los experimentos con átomos ultrafríos en TU Wien han mostrado resultados sorprendentes:las nubes de átomos acoplados se sincronizan en milisegundos. Este efecto no puede explicarse con teorías estándar.

Cuando los átomos se enfrían a una temperatura casi cero, sus propiedades cambian por completo. Pueden convertirse en un condensado de Bose-Einstein, un estado ultrafrío de la materia, en el que las partículas pierden su individualidad y solo pueden describirse colectivamente, como un solo objeto cuántico.

En TU Wien (Viena), Las nubes de átomos ultrafríos se han estudiado durante años. Son un sistema modelo perfecto para estudiar cuestiones fundamentales de la física cuántica de muchas partículas. Ahora, el equipo de investigación del profesor Jörg Schmiedmayer (Instituto de Física Atómica y Subatómica, TU Wien) ha encontrado resultados notables que no pueden explicarse con ninguna de las teorías existentes. Cuando se acoplan dos gases cuánticos ultrafríos, pueden sincronizarse espontáneamente, oscilando al unísono perfecto después de unos pocos milisegundos. Esto significa que las teorías de los libros de texto sobre los condensados ​​de Bose-Einstein deben revisarse. Los resultados ya se han publicado en la revista. Cartas de revisión física .

Átomos en la trampa

"Usamos un chip de átomo especialmente diseñado para enfriar los átomos y modificar sus propiedades", dice Jörg Schmiedmayer. "El chip puede atrapar cientos o miles de átomos y manipular sus propiedades colectivas con campos electromagnéticos".

En primer lugar, una nube de átomos se enfría a una temperatura de unos pocos nanokelvins. "Luego, usando el chip atómico, creamos una barrera, separando la nube en dos partes ", dice Marine Pigneur, primer autor del artículo y Ph.D. estudiante en el equipo de Schmiedmayer. "Si la barrera es lo suficientemente baja, los átomos todavía pueden pasar de un lado a otro por un efecto llamado túnel cuántico. Por lo tanto, las dos nubes de átomos no son completamente independientes, están acoplados ".

Según la física cuántica, cada objeto puede describirse como una ola. Las propiedades de las olas no son visibles para nosotros, porque los objetos con los que nos ocupamos todos los días son demasiado grandes y demasiado calientes. El comportamiento de los átomos fríos, sin embargo, está fuertemente influenciado por estas propiedades de las olas.

Una de estas propiedades es la fase, que se puede entender comparando la onda cuántica con un reloj que hace tictac:"Imagina dos relojes de péndulo idénticos", dice Jörg Schmiedmayer. "Pueden estar perfectamente sincronizados, de modo que los dos péndulos alcancen su punto más bajo exactamente al mismo tiempo, pero típicamente su movimiento está un poco desincronizado. En ese caso, hablamos de una diferencia de fase entre los dos péndulos ".

Cuando se crean las dos nubes de átomos, comienzan sin diferencia de fase, están perfectamente sincronizados. Pero usando el chip atómico, pueden desincronizarse. La diferencia de fase cuántica entre las dos nubes de átomos (el grado en que están desincronizadas) se puede controlar con gran precisión. Después, las dos nubes se controlan cuidadosamente para ver si esta diferencia de fase cambia con el tiempo.

Si dos péndulos clásicos están acoplados con una goma elástica, la banda disipará parte de la energía y los dos péndulos se sincronizarán. Algo similar ocurre con las dos nubes de átomos:si están acopladas, se sincronizan automáticamente, en un período de tiempo notablemente corto. "Esto suena normal, cuando pensamos en relojes de péndulo, pero de acuerdo con las teorías bien establecidas de Bose-Einstein-Condensates, esto es bastante sorprendente porque no tenemos disipación ", dice Jörg Schmiedmayer. "En un sistema cuántico como el nuestro, que está protegido del medio ambiente, esperaríamos periodos de sincronización alternando con desincronización para siempre ".

Buscando un mecanismo desconocido

"En el proceso de desincronización de los relojes, sacamos el sistema del equilibrio ", dice Marine Pigneur. "La mayoría de las teorías hasta ahora describen con éxito el acoplamiento de Bose-Einstein-Condensados ​​en equilibrio, pero son insuficientes para describir la situación de desequilibrio y la sincronización que observamos ". El hecho de que los" ritmos cuánticos "de las dos nubes de átomos sean exactamente iguales después de unos pocos milisegundos implica la existencia de un mecanismo que disipa la energía. Como el sistema está aislado de su entorno, la energía no se puede disipar, solo transferir. "El acoplamiento, tal como se explica en las teorías de los libros de texto, no puede transferir energía con tanta fuerza y ​​rapidez como observamos. Por lo tanto, a estas teorías les falta algo, o simplemente están equivocadas. Significa que es nuestra comprensión de la interacción entre los átomos en sí lo que debe ser modificado."

Con este sorprendente hallazgo, el equipo de investigación espera estimular más investigaciones en esta área. "Después de todo, el comportamiento de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera de equilibrio es uno de los grandes problemas sin resolver de la física moderna ", dice Jörg Schmiedmayer. "Se conecta con muchas preguntas fundamentales, desde el estado del universo temprano justo después del Big Bang hasta la pregunta de por qué los efectos cuánticos extraños solo pueden observarse en una escala diminuta". mientras que los objetos más grandes obedecen las leyes de la física clásica ".