Cuando mete una bandeja de agua en el congelador, obtienes cubitos de hielo. Ahora, Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder y la Universidad de Toronto han logrado una transición similar utilizando nubes de átomos ultrafríos.

En un estudio que aparecerá el 2 de agosto en la revista Avances de la ciencia , el equipo descubrió que podía empujar estos materiales cuánticos para que se sometieran a transiciones entre "fases dinámicas", esencialmente, saltando entre dos estados en los que los átomos se comportan de formas completamente diferentes.

"Esto sucede de repente, y se asemeja a las transiciones de fase que vemos en sistemas como el agua que se convierte en hielo, ", dijo la coautora del estudio, Ana María Rey." Pero a diferencia de esa bandeja de cubitos de hielo en el congelador, estas fases no existen en equilibrio. En lugar de, los átomos cambian y evolucionan constantemente con el tiempo ".

Los resultados, ella añadió, proporcionan una nueva ventana a los materiales que son difíciles de investigar en el laboratorio.

"Si quieres, por ejemplo, diseñar un sistema de comunicaciones cuánticas para enviar señales de un lugar a otro, todo estará fuera de equilibrio, "dijo Rey, un compañero en JILA, un instituto conjunto entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). "Dicha dinámica será el problema clave a comprender si queremos aplicar lo que sabemos a las tecnologías cuánticas".

Los científicos han observado transiciones similares antes en átomos ultrafríos, pero solo entre unas pocas docenas de átomos cargados, o iones.

Rey y sus colegas, a diferencia de, convertido en nubes formadas por decenas de miles de sin carga, o neutral, átomos fermiónicos. Átomos fermiónicos, ella dijo, son los introvertidos de la tabla periódica de elementos. No quieren compartir su espacio con sus compañeros átomos, lo que puede hacerlos más difíciles de controlar en los laboratorios de átomos fríos.

"Realmente estábamos vagando por un nuevo territorio sin saber qué íbamos a encontrar, "dijo el coautor del estudio Joseph Thywissen, profesor de física en la Universidad de Toronto.

Para navegar por ese nuevo territorio, los investigadores aprovecharon las interacciones débiles que ocurren entre átomos neutros, pero solo cuando esos átomos chocan entre sí en un espacio confinado.

Primero, Thywissen y su equipo en Canadá enfriaron un gas formado por átomos de potasio neutros a solo una fracción de grado por encima del cero absoluto. Próximo, sintonizaron los átomos para que todos sus "giros" apuntasen en la misma dirección.

Estos giros son una propiedad natural de todos los átomos, Thywissen explicó, un poco como el campo magnético de la Tierra, que actualmente apunta hacia el norte.

Una vez que los átomos estaban todos en formación, luego, el grupo los modificó para cambiar la intensidad con la que interactuaban entre sí. Y ahí es donde empezó la diversión.

"Realizamos el experimento utilizando un tipo de campo magnético, y los átomos bailaron de una manera, "Thywissen dijo." Más tarde, volvimos a realizar el experimento con un campo magnético diferente, y los átomos bailaron de una manera completamente diferente ".

En la primera danza, o cuando los átomos apenas interactuaron, estas partículas cayeron en el caos. Los espines atómicos comenzaron a rotar a su propio ritmo y rápidamente todos apuntaron en diferentes direcciones.

Piense en ello como estar parado en una habitación llena de miles de relojes con segundero, todos marcando en diferentes tempos.

Pero eso fue solo una parte de la historia. Cuando el grupo aumentó la fuerza de las interacciones entre átomos, dejaron de actuar como individuos desordenados y más como un colectivo. Sus giros aún marcaban en otras palabras, pero marcaron en sincronía.

En esta fase sincrónica, "los átomos ya no son independientes, "dijo Peiru He, estudiante de posgrado en física en CU Boulder y uno de los autores principales del nuevo artículo. "Se sienten el uno al otro, y las interacciones los llevarán a alinearse entre sí ".

Con los ajustes adecuados, el grupo también descubrió que podía hacer otra cosa:retroceder el tiempo, provocando que tanto la fase sincronizada como la desordenada vuelvan a su estado inicial.

En el final, los investigadores solo pudieron mantener esas dos fases dinámicas diferentes de la materia durante aproximadamente 0,2 segundos. Si pueden aumentar ese tiempo, Él dijo, pueden hacer observaciones aún más interesantes.

"Para ver una física más rica, Probablemente tengamos que esperar más, " Él dijo.