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Observan caos cuántico en el comportamiento de átomos ultrafríos

Un equipo de investigadores de la Universidad de Innsbruck (Austria) ha conseguido observar el caos cuántico en el comportamiento de dispersión de átomos ultrafríos. Para ello han utilizado el metal erbio. El hallazgo pionero podría arrojar nueva luz sobre el campo de la física atómica y molecular.

Observan caos cuántico en el comportamiento de átomos ultrafríos

Un laboratorio especializado de la Universidad de Innsbruck (Austria) ha logrado describir un comportamiento caótico en átomos valiéndose de gas ultrafrío. Se trata de un hallazgo pionero gracias al cual la física podría arrojar luz sobre el campo de la mecánica cuántica.

En un espacio de tiempo relativamente breve, el estudio del gas ultrafrío se ha erigido en uno de los campos más interesantes y de mayor trascendencia potencial dentro de la física atómica y molecular. El motivo estriba en que, en un entorno ultrafrío, es posible controlar y observar átomos de un modo inviable en condiciones diferentes.

En algunos laboratorios especializados se pueden alcanzar temperaturas ínfimas que se miden en micro o incluso nanokelvins (es decir, la millonésima parte y la milmillonésima parte, respectivamente, de un grado sobre cero absoluto); en esas condiciones, los átomos se mueven con una lentitud pasmosa y su comportamiento no es el normal. Ello ofrece la oportunidad de comprender con más exactitud la física cuántica, esto es, cuanto acontece a escala subatómica o nanoscópica. Ciertamente, si se alcanzan temperaturas suficientemente bajas, los átomos conforman un estado de la materia nuevo que se rige por la mecánica cuántica.

El Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck es uno de los laboratorios dotados de instalaciones para trabajar a tales temperaturas ultrafrías. En él se han realizado estudios de vanguardia, financiados mediante el proyecto Erbium del Séptimo Programa Marco de la UE, que han permitido describir un comportamiento caótico de partículas en un gas cuántico. Se trata de un descubrimiento destacado habida cuenta de que abre nuevas posibilidades de observar las interacciones entre partículas cuánticas.

En palabras de la directora del equipo científico, Francesca Ferlaino, recogidas por Cordis: «Por primera vez, hemos conseguido observar el caos cuántico en el comportamiento de dispersión de átomos ultrafríos».

Comportamientos aleatorios

En física, el caos no es sinónimo de desorden, sino de sistema muy bien ordenado que, por su complejidad, presenta comportamientos aleatorios. Para observar el caos cuántico, los físicos de Innsbruck enfriaron átomos de erbio (un metal sólido y plateado claro) hasta unos pocos cientos de nanokelvins y los depositaron en una trampa compuesta por haces de láser. Seguidamente, se valieron de un campo magnético para favorecer la dispersión de las partículas y, al cabo de cuatrocientos milisegundos, registraron el número de átomos que permanecían en la trampa.

De este modo, el equipo pudo determinar en qué campo magnético se acopla un par de átomos para conformar una molécula (débilmente unida). En dicho campo magnético surgen las llamadas resonancias de Fano-Feshbach. Los físicos variaron el campo magnético en cada ciclo experimental y repitieron el experimento catorce mil veces y, a continuación, identificaron doscientas resonancias, cantidad sin precedentes en gases cuánticos ultrafríos.

Así se pudo demostrar que las propiedades singulares del erbio provocaban un comportamiento muy complejo de acoplamiento entre partículas que podría calificarse de caótico. El erbio es un elemento relativamente pesado y de gran actividad magnética. Se ha demostrado que la interacción entre dos átomos de erbio es notablemente distinta a la observada en otros elementos en forma de gases cuánticos investigados hasta la fecha.

El experimento no permitió describir el comportamiento de átomos únicos, pero sí de partículas (aplicando intrincados métodos de estadística). Ferlaino comparó el método seguido a la sociología, que estudia la conducta de colectivos grandes de personas, mientras que la psicología describe las relaciones entre los individuos.

Los descubrimientos de esta investigación se han publicado en la revista Nature. «El experimento demostró que un gas ultrafrío de átomos de erbio presenta multitud de resonancias de Fano-Feshbach», señala el equipo (Erbium Team) en su resumen. «El análisis realizado demuestra que su distribución de espacios con respecto a los vecinos más próximos es lo que se esperaría de la teoría de matrices aleatorias […] Por consiguiente, nuestros resultados sacan a relucir un comportamiento caótico en la interacción natural entre átomos ultrafríos».

Referencia bibliográfica:

Albert Frisch, Michael Mark, Kiyotaka Aikawa, Francesca Ferlaino, John L. Bohn, Constantinos Makrides, Alexander Petrov & Svetlana Kotochigova. Quantum chaos in ultracold collisions of gas-phase erbium atoms. Nature 507, 475–479 (27 de marzo de 2014) doi:10.1038/nature13137

RedacciónT21

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