Los fermiones son partículas cuánticas que se sincronizan como bandadas de pájaros

En muchos sistemas de la naturaleza –como la conducta humana, las bandadas de pájaros, los atascos de tráfico, las dunas, las estrellas de neutrones o la superconductividad–, el comportamiento colectivo juega un papel crucial.

En todos ellos, los objetos que participan se mueven, voluntariamente o no, de forma sincronizada. Ahora un equipo de científicos europeos ha detectado el mismo fenómeno en gases cuánticos (un tipo de gas ideal) a muy bajas temperaturas.

Investigadores del Instituto de Física del Láser de la Universidad de Hamburgo (Alemania), en colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, han observado por primera vez la dinámica colectiva del espín de fermiones ultrafríos mediante el análisis microscópico de las propiedades de estas partículas a través de sus colisiones locales.

En el micromundo cuántico las partículas se dividen en dos grupos: los bosones (como los fotones) y los fermiones (como los electrones, protones y neutrones). La diferencia entre ellas es básicamente su espín o momento angular intrínseco (giro): el espín de los bosones es un número entero (0, 1, 2, …) mientras que el de los fermiones es semientero (1/2, 3/2, etc.)

Agrupándose y trasladándose de forma conjunta

Los bosones tienen la característica de comportarse colectivamente, agrupándose y trasladándose de forma conjunta en el espacio. En cuanto a los fermiones, hasta ahora no se sabía si estas partículas podían comportarse de la misma manera ya que, al parecer, son partículas muy solitarias, que prefieren no mezclarse ni relacionarse con las demás.

Pero ahora los investigadores han podido observar que a temperaturas cercanas al cero absoluto las propiedades individuales de los fermiones (o mar de Fermi) tienden a agruparse, comportándose como una sola identidad en el espacio del espín. Los resultados se publican en Science.

Al enfriar un gas atómico a temperaturas extremadamente bajas, los bosones presentan la característica de que muchos de ellos pueden ocupar un mismo estado cuántico -constituyen lo que se define como un condensado de Bose. Por el contrario, los fermiones tienen la particularidad de ser singulares ya que un estado cuántico solo puede estar ocupado por una y solo una partícula, según el principio de exclusión de Pauli.

Por tanto, para obtener fermiones ultrafríos, los investigadores lograron atrapar, mediante el uso de una luz láser, un gas cuántico compuesto por átomos de potasio, enfriarlo a temperaturas extremadamente bajas y preparar diferentes mezclas de átomos con diferentes espines en campos magnéticos muy bajos para inducir cambios de espín.

Nueva teoría

Utilizando esta técnica, fueron capaces de observar que el espín de las partículas cambiaba cuando estas colisionaban localmente entre sí. Sin embargo, en su globalidad, las partículas tendían a comportarse de manera colectiva como una sola entidad, estabilizando el gas a través de grandes amplitudes de oscilaciones de giro.

El grupo de investigación dirigido por el profesor de ICREA en el ICFO Maciej Lewenstein logró formular una nueva teoría efectiva que podría explicar correctamente el experimento. Descubrió que el comportamiento colectivo de fermiones es un fenómeno cuántico muy sensible a las perturbaciones (por ejemplo, el efecto desaparece por completo con una mínima variación de la temperatura).

Como comenta Lewenstein en la nota de prensa de ICFO recogida por SINC, «los fermiones, debido al principio de Pauli –un principio cuántico de exclusión–, son ‘individualistas’, es decir, no les gusta comportarse todos de igual manera. Sin embargo, se ha demostrado aquí que estas partículas se unen para presentar un comportamiento colectivo increíblemente robusto».

A través de la interacción controlada de diferentes procesos que, o bien estimulan o suprimen el comportamiento colectivo, los científicos son capaces de conocer en profundidad estos sistemas y buscar nuevas vías para estudiar fenómenos exóticos aún inaccesibles, como la creación de topologías en gases cuánticos, o futuras aplicaciones como sensores cuánticos para los campos magnéticos más pequeños.