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Física

Un estado turbulento

Investigadores brasileños observan una nueva versión de un fenómeno cuántico

FERDINAND SCHMUTZER/WIKIMEDIA COMMONSCada tanto, la naturaleza revela algunos de sus secretos a quien sabe buscarlos. Hace algunos meses, investigadores de la Universidad de São Paulo (USP) con sede en São Carlos, interior del estado, dieron testimonio de una de esas revelaciones, descrita en un artículo publicado en la edición del 24 de julio de la revista Physical Review Letters. Manipulando una nube de gas microscópica mantenida en temperaturas bajísimas, el equipo del físico Vanderlei Salvador Bagnato detectó en ese gas un curioso fenómeno del mundo de las partículas: la turbulencia cuántica, anteriormente sólo observada en el helio superfluido, un líquido con propiedades poco comunes.

Durante el experimento, los físicos mantuvieron una nube conteniendo entre 100 mil y 200 mil átomos del elemento químico rubidio presa entre campos magnéticos en un espacio decenas de veces menor que la cabeza de un alfiler y refrigerada a una temperatura muy próxima al cero absoluto (-273,15 grados Celsius). Bajo esas condiciones, los átomos del rubidio alcanzan el menor nivel de energía posible, prácticamente cesan su movimiento y pasan a comportarse como si fuesen un único superátomo con el tamaño total de la nube –en ese caso, alrededor de 150 micrones (milésimas de milímetro) de longitud, el equivalente a 150 mil átomos en hilera.

Ese superátomo se denomina Condensado de Bose-Einstein, el quinto estado de la materia. El condensado, previsto por Albert Einstein basándose en la formulación del físico indio Satyendra Bose, sólo fue producido experimentalmente en 1995 por dos equipos independientes en Estados Unidos –el de Eric Cornell y Carl Wierman, en la Universidad de Colorado, y el de Wolfgang Ketterle, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, quienes recibieron el premio Nobel por ello. En el condensado, las partículas atómicas dejan de comportarse de acuerdo con las leyes de la física clásica, que rige el mundo macroscópico, para comenzar a actuar bajo las leyes de la mecánica cuántica, con propiedades muy distintas de las que presentan en otros estados conocidos de la materia (sólido, líquido, gas o plasma).

Agitando suavemente el condensado, el equipo de Bagnato observó en un principio el surgimiento de unos pocos vórtices, regiones donde los átomos se arremolinan tal como el viento en un ciclón. Sin embargo, con el aumento de la intensidad de la agitación, los vórtices, anteriormente aislados e inconexos, se entrelazaron: generaron lo que los físicos denominan turbulencia, lo cual dejó al condensado con la apariencia de un queso suizo, donde cada orificio se corresponde a un vórtice.

Nuevos caminos
“Antes de ese experimento, no se sabía si existía turbulencia en el condensado de Bose-Einstein, ni cómo la misma se manifestaba”, cuenta Bagnato, coordinador del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica, financiado por la FAPESP, y también del Instituto Nacional de Óptica y Fotónica, que cuenta con el apoyo del Ministerio de Ciencia y Tecnología. Según Bagnato, ese resultado implica la apertura de varios caminos para el estudio de la turbulencia cuántica, hasta entonces detectada sólo en el helio líquido. Al licuarse a tan sólo 2,17 grados por encima del cero absoluto, alrededor de -271 grados Celsius, el helio pasa a presentar características poco comunes, tal como la de esparcirse en todos los sentidos sin resistencia física, el fenómeno conocido como superfluidez.

Bagnato y los físicos Emanuel Henn, Jorge Seman y Kilvia Magalhães, de la USP en São Carlos, y Giacomo Roati, de la Universidad de Florencia, en Italia, al someter al condensado a un test denominado tiempo de vuelo de las partículas, notaron que se hallaban frente a algo nuevo. En el ensayo, los físicos desconectan durante brevísimos períodos los campos magnéticos que mantienen el gas cuántico aprisionado con el objeto de observar cómo se esparce. En consecuencia, el gas se expande. Aunque no en la manera habitual.

Cuando un globo de cumpleaños explota, las partículas del gas se esparcen con la misma velocidad en todos los sentidos. Sin embargo, en el caso de un gas cuántico como el condensado, ocurre algo diferente: la expansión es más rápida en el sentido en que la compresión es mayor. Esa característica produce un efecto fácilmente observable en laboratorio. El condensado, generalmente con la forma de un puro en el espacio tridimensional –alargado en cuanto al largo y más bien comprimido en cuanto a la altura y la profundidad, por ejemplo-, comienza a alargarse con mayor rapidez en la dimensión en la cual es más estrecho ni bien son desconectadas las fuerzas magnéticas. Esa propiedad lo compele a tornarse, por decirlo de alguna manera, más estirado en su altura, y más corto en cuanto al largo y profundidad, tal como si el habano hubiese sufrido un giro de 90 grados.

“Apenas 15 milésimas de segundo son suficientes para notar esa transformación”, comenta Kilvia. Pero no fue lo que los investigadores observaron en el condensado con turbulencia, en el que la velocidad de expansión fue la misma en todas las dimensiones. “Ese comportamiento no es clásico ni cuántico”, cuenta Bagnato, pionero en la producción del Condensado de Bose-Einstein en el país. Debido a su importancia y originalidad, el resultado presentado en la Physical Review Letters fue comentado por los físicos Natalia Berloff, de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra y Boris Svistunov, de la Universidad de Massachusetts, en Estados Unidos, en la sección viewpoint de Physics, otra revista de la Sociedad Americana de Física (APS, su sigla en inglés).

La comprensión de cómo y por qué la turbulencia surge en el mundo de las partículas cuánticas, según los físicos, permitirá también comprender las leyes que gobiernan la turbulencia en el mundo macroscópico. Si de hecho eso ocurriera, significará un gran avance. Terror de los pilotos de aviones y comandantes de buques, la turbulencia es considerada por la APS como uno de los mayores desafíos de la física moderna.

Artículo científico
HENN, E. A. et al. Emergence of Turbulence in an Oscillating Bose-Einstein Condensate. Physical Review Letters. v. 103. p. 45.301-1/45.304-1. Julio de 2009.

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