Átomos con memoria cuántica

Patrones de onda creados por la interferencia de nubes de átomos (crédito: TU Vienna)

El orden tiende hacia el desorden. Esto también es cierto para los estados cuánticos. Mediciones realizadas en la Universidad de Tecnología de Viena  mostraron que esta transición puede ser completamente diferente en la mecánica cuántica de lo que experimentamos en nuestra vida diaria.

Los cubos de hielo en un vaso se derriten hasta que se alcanza un equilibrio en el cual el hielo desaparece. Una vez derretido, la estructura geométrica del hielo se ha perdido por completo. El líquido no conserva ninguna memoria de su forma anterior, el ordenado cristal de hielo se ha convertido en moléculas de agua desordenadas.

Los condensados Bose-Einsten ultrafríos actúan de manera distinta; estas nubes altamente ordenadas de partículas muy frías también alcanzan un estado de equilibrio desordenado, pero conservan alguna “memoria” sobre su estado inicial por un tiempo particularmente largo. Este fenómeno no depende de su temperatura, sino más bien parece ser una propiedad fundamental y estable de la física cuántica.

En el 2012, el grupo de investigación formado alrededor del profesor Jörg Schmiedmayer en el Centro de Ciencia Cuántica y Tecnología de Viena (VCQ), de Universidad de Tecnología de Viena, demostró que existe un estado intermedio entre orden y desorden. Los átomos de un condensado ultrafrío Bose-Einstein tienden hacia un estado de equilibrio en el cual sus propiedades físicas cuánticas ya no son visibles.

Sin embargo, esto no se da continuadamente, como en la transición de hielo a agua líquida. Al contrario, existe un paso intermedio llamado “estado pretermalizado” en el cual los átomos continúan por un tiempo sorprendentemente largo recordando su estado mecánico cuántico original.

“Si dividimos la nube de átomos en dos partes y las recombinamos después de algún tiempo, se forma un patrón de onda”, explica Schmiedmayer. “Esta es la prueba que la nube de átomos aún contiene información de su procedencia a partir de un estado físico cuántico altamente ordenado”.

Los científicos han logrado estudiar de manera más directa esta transición -y resulta ser extremadamente estable con respecto a las condiciones externas. A partir de nuestra experiencia, estamos acostumbrados al caso opuesto: “Imagina una habitación llena de aire y otra  habitación vecina completamente vacía”, dice Max Kuhnert, también de la Universidad de Tecnología de Viena. “Cuando abrimos una puerta entre las dos habitaciones, el sistema alcanzará un equilibrio hasta que las moléculas están uniformemente distribuidas en ambas”.

Esta transición, sin embargo, depende fuertemente de parámetros externos tales como presión y temperatura. “Mientras más alta la presión y la temperatura, más rápidamente se perderá el estado inicial –ya sea información sobre la distribución inicial de las moléculas o sobre la geometría del hielo que se derrite”.

“El estado pretermalizado de nuestras nubes de átomos se alcanza de forma bastante independiente de la presión y la temperatura”, dijo Kuhnert. Los experimentos, que han sido ya publicados en Physical Review Letters, muestran que este estado se caracteriza por una nueva escala de longitud.

Esta correlación de longitud es una medida directa de la memoria cuántica de un estado inicial ordenado. Esta es la escala de longitud en el cual las propiedades físicas cuánticas de las nubes de átomos pueden aún ser percibidas.

Se espera un mejor entendimiento del estado cuántico no sólo para explicar los condensados ultrafíos Bose-Einstein, sino que también podría ayudar a comprender los procesos sucedidos en el universo más temprano o ayudar a entender los fenómenos del plasma quark-gluón creado en los aceleradores de partículas de alta energía.

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