Generan líquido cuántico ultraligero

A partir de átomos ultrafríos, a una temperatura de -273.14 grados Celsius, un grupo de científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en España, logró generar por primera vez un líquido cuántico que es cien millones de veces más diluido que el agua y un millón de veces menos denso que el aire.

En este logro científico que ya fue reportado en Science con el título Quantum liquid droplets in a mixture of Bose-Einstein condensates, participó el mexicano Cesar Raymundo Cabrera Córdova, quien con una beca del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) realiza un doctorado en dicho instituto español.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el becario explicó que este líquido cuántico lo obtuvieron a través de un gas de átomos de potasio enfriado a -273.14 grados Celsius, muy cerca del cero absoluto.

“Aunque a estas temperaturas los átomos se comportan como ondas y obedecen las leyes de la mecánica cuántica, aún conservan una propiedad intrínseca de los gases: ocupan todo el volumen disponible. Sin embargo, al mezclar dos gases que se atraen entre sí a esas temperaturas tan bajas, se pueden formar gotas líquidas ultradiluidas”.

Una mirada al líquido cuántico

Antes de hablar de líquidos cuánticos es importante recordar que los líquidos y gases son dos estados de la materia que están presentes en la vida cotidiana.

“Mientras que los gases son diluidos, compresibles y ocupan todo el espacio disponible, los líquidos son densos, su volumen está bien determinado y en pequeñas cantidades forman gotas. Estas gotas están constituidas por un conjunto de partículas ligadas entre sí y aisladas del entorno por una superficie exterior bien definida.

Al calentar esas gotas se evaporan, esto representa una transición de fase de líquido a gas. Esto es exactamente lo que sucede cuando al cocinar se hierve agua.

Pero ¿puede un líquido ser ultradiluido? ¿Es posible imaginarse que un líquido contenido en una cuchara sopera pudiese ocupar el volumen de una piscina olímpica? En condiciones normales esto es imposible; no obstante, a muy bajas temperaturas la materia se comporta de forma inusual y sorprendente, señaló Cabrera Córdova.

“Un líquido cuántico está gobernado por las leyes de la mecánica cuántica y estas definen las propiedades del sistema. En nuestro caso, estos líquidos cuánticos surgen de la mezcla de dos condensados de Bose-Einstein de potasio. En este tipo de fase, a muy bajas temperaturas los átomos comparten el mismo nivel de energía y las funciones de onda asociadas con cada átomo se superponen creando así una onda de materia macroscópica con propiedades cuánticas”.

¿Cómo son las gotas cuánticas?

Las propiedades de las gotas cuánticas son similares a las propiedades del helio a muy baja temperatura. Ambos sistemas son superfluidos, es decir, pueden desplazarse sin fricción a través de un medio.

Además, las gotas cuánticas creadas en el laboratorio español son un nuevo tipo de líquido que es cien millones de veces más diluido que el agua y un millón de veces menos denso que el aire.

“Esto permite poder simplificar los modelos teóricos convencionales para el estudio de líquidos cuánticos. Sin embargo, la propiedad más impactante de nuestros líquidos es que su existencia es debido a un sorprendente efecto cuántico: fluctuaciones cuánticas”.

¿Por qué son importantes?

En palabras de Cesar Raymundo Cabrera Córdova, la existencia de estas gotas se debe exclusivamente a las fluctuaciones cuánticas y les ayudará a entender mejor las leyes de la naturaleza que gobiernan las interacciones entre los átomos.

“En nuestra área de investigación es importante puesto que actualmente los átomos ultrafríos se habían ocupado para estudiar las propiedades cuánticas de condensados de Bose-Einstein (un sistema en fase gaseosa) o poder hacer simulación cuántica de sólidos. Sin embargo, a la fecha no había sido posible usar átomos ultrafríos para estudiar las propiedades fundamentales de un líquido”.

Generar estas gotas cuánticas no fue algo sencillo, ya que estas no estaban predichas usando las teorías convencionales para describir condensados de Bose-Einstein, así que quizás el desafío más grande fue entender la física del sistema para lograrlo.

“Las gotas cuánticas no estaban predichas usando las teorías convencionales para describir condensados de Bose-Einstein. De hecho, por mucho tiempo se pensó que esto no era posible de crear. Sin embargo, una publicación teórica en 2015, con una idea revolucionaria acerca de la existencia de este líquido, nos motivó a indagar y explorar esta fase”.

Debido a lo novedoso del proyecto, los investigadores tuvieron que desarrollar cada parte de la secuencia experimental sin saber qué esperar.

“El mayor problema fue buscar algo lo cual no sabes si existe o no. Tienes que convencerte día a día en el experimento cuál es la buena dirección a tomar y buscar algo que los libros de texto convencionales en el campo no predicen que ocurra”.

Una mirada hacia el futuro

Actualmente Cesar Raymundo Cabrera Córdova está concentrado en presentar su examen de titulación de doctorado; sin embargo, debido a su extraordinario trabajo obtuvo una beca para realizar un posdoctorado en el Instituto Max Planck en óptica cuántica, el cual es uno de los institutos de investigación más reconocidos en Europa y a nivel mundial.

Asimismo, el doctorando mexicano participará en el diseño y construcción de un nuevo experimento en el Instituto de Ciencias Fotónicas. “Este nuevo experimento nos permitirá controlar y manipular átomos individualmente y seguir de esta forma estudiando más de las increíbles propiedades de la mecánica cuántica”.

Conacyt impulsa el desarrollo del talento mexicano

Para Cabrera Córdova, el Conacyt ha jugado un papel muy importante en su formación como científico, ya que ha recibido dos becas, una para realizar su maestría en la Universidad de Bonn, Alemania, y ahora su doctorado en España.

“No cabe duda que he tenido mucha suerte de contar con este apoyo, puesto que me ha ayudado a conocerme a mí mismo, mis capacidades y debilidades. He crecido tanto profesional como personalmente. Lo cual en un futuro quisiera poder retribuir el conocimiento adquirido a mi país. Esta investigación que ha rendido buenos frutos y que ha contribuido con conocimiento nuevo para la humanidad ha sido posible gracias al apoyo económico de Conacyt”.

Asimismo expresó su gratitud a sus compañeros y asesora: L. Tanzi, J. Sanz, B. Naylor, P. Thomas, P. Cheiney y mi supervisora L. Tarruell, con quienes ha trabajado estos últimos años y por medio del trabajo en equipo han logrado este resultado.

Fuente: CONACYT.