Desentrañando el misterio de los átomos

Esta imagen muestra 6 átomos ultracongelados atrapados en un láser. Los físicos de la universidad de Heidelberg han observado cómo se inicia el comportamiento colectivo de los átomos cuando se pasa de un estado de la materia a otro

Observar átomos ya es en sí un desafío, y descubrir cómo se comportan las partículas mínimas que conforman el todo, es a día de hoy una de las grandes fronteras que la física cuántica está empezando a derrumbar.

En una investigación llevada a cabo en la Universidad de Heidelberg han observado cómo actúan los átomos en conjunto cuando se producen transiciones entre estados sólido, líquido y gaseoso de la materia. Más o menos, cómo se comportan cuando hierve el agua o se solidifica en hielo.

Las transiciones de fase describen cambios dramáticos en las propiedades de un sistema macroscópico, como la transición de un líquido a un gas.

Partiendo de átomos individuales ultracongelados, los físicos de la Universidad de Heidelberg han observado como se inicia esa transición con un número creciente de partículas. El trabajo de investigación se llevó a cabo en el campo de la física cuántica bajo la dirección del Prof. Dr. Selim Jochim del Instituto de Física y se ha publicado en Nature.

Con el fin de formular teorías eficaces en física, se dejan de lado los detalles microscópicos en favor de las cantidades observables macroscópicamente. Una taza de agua puede ser descrita por propiedades como la presión, la temperatura y la densidad del fluido, mientras que la posición y la velocidad de las moléculas de agua individuales son irrelevantes. Así que para entender qué ocurre en las partículas del agua cuando se evapora, hay que acudir a la física cuántica.

Una transición de fase describe el cambio de un sistema macroscópico de un estado de materia, como el fluido, a un estado diferente de materia, como el gaseoso. Las propiedades de los sistemas macroscópicos -los llamados sistemas de muchos cuerpos- pueden describirse como emergentes porque resultan de la interacción de componentes individuales que en sí mismos no poseen estas propiedades.

Utilizando un simulador cuántico, investigaron cómo surge el comportamiento colectivo en un sistema microscópico

«Hace tiempo que me interesa cómo este dramático cambio macroscópico en una transición de fase emerge de la descripción microscópica», afirma Selim Jochim.

Para responder a esta pregunta, los investigadores diseñaron un experimento en el que ensamblaron un sistema a partir de átomos individuales ultracongelados. Utilizando este simulador cuántico, investigaron cómo surge el comportamiento colectivo en un sistema microscópico. Para ello, atraparon hasta doce átomos en un rayo láser muy concentrado (ver imagen superior).

En este sistema artificial es posible ajustar continuamente la fuerza de interacción entre los átomos desde la no interacción hasta la mayor escala de energía del sistema. «Por un lado, el número de partículas en el sistema es lo suficientemente pequeño para describir el sistema microscópicamente. Por otro lado, los efectos colectivos ya son evidentes», explica Luca Bayha, un postdoctorado del equipo del Prof. Jochim.

En su experimento, los físicos de Heidelberg configuraron el simulador cuántico de manera que los átomos se atraigan entre sí y, si la atracción es lo suficientemente fuerte, formen pares.

Estos pares de átomos son el ingrediente necesario para una transición de fase a un superfluido – un estado en el que las partículas fluyen sin fricción.

Bastan seis átomos para explicar como se comporta el sistema

Los experimentos se centraron en cuándo surge la formación de parejas de átamos, en función de la fuerza de interacción y el número de partículas del sistema. «El sorprendente resultado de nuestro experimento es que sólo seis átomos muestran todas las firmas de una transición de fase esperada para un sistema de muchas partículas», añade Marvin Holten, un estudiante de doctorado del grupo del Prof. Jochim.Información bibliográfica completa

L. Bayha, M. Holten, R. Klemt, K. Subramanian, J. Bjerlin, S. M. Reimann, G. M. Bruun, P. M. Preiss, S. Jochim: Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell. Nature