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FÍSICA

Los efectos de la turbulencia cuántica

Una perturbación inducida en una nube de átomos fríos de rubidio produce un fenómeno ondulatorio similar al de la luz

Cuando se los somete a las condiciones específicas que caracterizan a los sistemas cuánticos, tanto los átomos que componen una hoja de papel como los seres vivos, e incluso las estrellas, dejan de comportarse como partículas y pasan a manifestarse como una onda. En ese estado, la materia presenta efectos que violan la visión clásica y los átomos pueden trasponer barreras anteriormente infranqueables. En experimentos recientes, un equipo coordinado por científicos del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP) constató que una nube de átomos del elemento químico rubidio, superenfriada y aislada, conserva aspectos de su comportamiento ondulatorio incluso después de haber sido perturbada mediante la generación de vórtices y evolucionar hacia una condición de turbulencia cuántica. Las muestras de átomos bajo esas condiciones son bastante conocidas y estudiadas, pero no se sabía cuál sería el resultado de la introducción de un gran desorden en ese tipo de sistemas.

En un artículo publicado en octubre en la revista PNAS, los científicos describen que a medida que la nube se expande surge un patrón granular denominado speckle o moteado, un fenómeno característico de la interferencia de ondas similar al que se produce cuando se proyecta un haz de luz láser sobre una pared u obstáculo. En el caso de la muestra de átomos de rubidio refrigerados, el speckle presenta una forma de manchas en tres dimensiones. En cuanto al caso del láser proyectado sobre un obstáculo, el mismo es bidimensional. “Ésta fue la primera vez que se observó speckles tridimensionales”, explica el físico Vanderlei Bagnato, del IFSC, uno de los autores del artículo y coordinador del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) de la FAPESP.

El grupo de la USP estudia un superfluido confinado, el condensado de Bose-Einstein, que está formado por una nube de cientos de miles de átomos de rubidio aislados en una jaula magnética. En ese sistema, los efectos cuánticos empiezan a aparecer cuando se lo enfría hasta temperaturas cercanas a una millonésima de grado por encima del cero absoluto, el cero Kelvin, o sea, -273,15 ºC. En esa condición, el conjunto de átomos pierde toda viscosidad y se transforma en un superfluido, uno de los estados de la materia. Para introducir la turbulencia cuántica en la nube, los físicos aplican un campo magnético que induce la formación de vórtices. A continuación, desconectan la trampa magnética y registran la expansión del condensado. Durante ese momento de inestabilidad aparece el speckle.

El equipo científico de São Carlos fue uno de los pioneros en introducir turbulencia en el condensado de Bose-Einstein. En una labor conjunta con colegas de la Universidad de Florencia, en Italia, los investigadores paulistas revelaron en 2009 que el condensado es un medio más sencillo para el estudio de la turbulencia en superfluidos que el helio líquido que se emplea usualmente. Este nuevo trabajo expande las posibilidades de estudio del comportamiento de los speckles tridimensionales y de la turbulencia cuántica. “Se trata de una nueva tesitura física, a partir de la cual podrían revelarse efectos aún no estudiados”, comenta  Pedro Ernesto Tavares, primer autor del artículo en la revista PNAS. El patrón granular de manchas bidimensionales generado por láser actualmente se emplea en forma usual para caracterizar superficies de materiales.

Proyecto
CePOF-Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (nº 13/07276-1); Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Vanderlei Salvador Bagnato (USP); Inversión R$ 28.014.802,21 (para la totalidad del proyecto).

Artículo científico
TAVARES, P. E. S. et al. Matter wave speckle observed in an out-of-equilibrium quantum fluid. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). v. 114, n. 8, p. 12691-5. 28 nov. 2017.

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