MIT logra capturar por primera vez la danza libre de átomos en el espacio.

Los resultados ayudarán a los científicos a visualizar fenómenos cuánticos nunca antes vistos en el espacio real.

Físicos del MIT han capturado las primeras imágenes de átomos individuales interactuando libremente en el espacio. Las imágenes revelan correlaciones entre las partículas en libertad que hasta ahora se habían predicho, pero nunca se habían observado directamente. Sus hallazgos, publicados hoy en la revista Physical Review Letters , ayudarán a los científicos a visualizar fenómenos cuánticos nunca antes vistos en el espacio real.

Congelar lo intangible: Cómo lograron fotografiar átomos en libertad?

Las imágenes se tomaron mediante una técnica desarrollada por el equipo que permite que una nube de átomos se mueva e interactúe libremente.A continuación, los investigadores activan una red de luz que congela brevemente los átomos en su trayectoria y aplican láseres de alta precisión para iluminar rápidamente los átomos suspendidos, creando una imagen de sus posiciones antes de que se disipen naturalmente.

Los físicos aplicaron la técnica para visualizar nubes de diferentes tipos de átomos y lograron varias imágenes inéditas. Los investigadores observaron directamente átomos conocidos como "bosones", que se agruparon en un fenómeno cuántico para formar una onda. También capturaron átomos conocidos como "fermiones" en el proceso de apareamiento en el espacio libre, un mecanismo clave que permite la superconductividad.

“Podemos ver átomos individuales en estas interesantes nubes de átomos y lo que hacen entre sí, lo cual es hermoso”, dice Martin Zwierlein, profesor de Física Thomas A. Frank en el MIT.

En el mismo número de la revista, otros dos grupos informan sobre el uso de técnicas de imagen similares, incluyendo un equipo dirigido por el premio Nobel Wolfgang Ketterle, profesor de Física John D. MacArthur en el MIT. El grupo de Ketterle visualizó correlaciones de pares mejoradas entre bosones, mientras que el otro grupo, de la Escuela Normal Superior de París, dirigido por Tarik Yefsah, obtuvo imágenes de una nube de fermiones que no interactúan.

El estudio de Zwierlein y sus colegas es coescrito por los estudiantes de posgrado del MIT Ruixiao Yao, Sungjae Chi y Mingxuan Wang, y el profesor adjunto de física del MIT Richard Fletcher.

Dentro de la nube

Un solo átomo tiene aproximadamente una décima de nanómetro de diámetro, lo que equivale a una millonésima parte del grosor de un cabello humano. A diferencia del cabello, los átomos se comportan e interactúan según las reglas de la mecánica cuántica; es su naturaleza cuántica la que dificulta su comprensión. Por ejemplo, no podemos saber con precisión dónde se encuentra un átomo ni a qué velocidad se mueve simultáneamente.

Los científicos pueden aplicar varios métodos para obtener imágenes de átomos individuales, incluida la obtención de imágenes por absorción, en la que la luz láser brilla sobre la nube de átomos y proyecta su sombra en la pantalla de una cámara.

“Estas técnicas permiten ver la forma y la estructura general de una nube de átomos, pero no los átomos individuales”, señala Zwierlein. “Es como ver una nube en el cielo, pero no las moléculas de agua que la componen”.

Él y sus colegas adoptaron un enfoque muy diferente para visualizar directamente la interacción de átomos en el espacio libre. Su técnica, denominada "microscopía con resolución atómica", consiste primero en encerrar una nube de átomos en una trampa flexible formada por un rayo láser. Esta trampa contiene los átomos en un punto donde pueden interactuar libremente. A continuación, los investigadores proyectan una red de luz que congela los átomos en sus posiciones. A continuación, un segundo láser ilumina los átomos suspendidos, cuya fluorescencia revela sus posiciones individuales.

“Lo más difícil fue captar la luz de los átomos sin evaporarlos de la red óptica”, dice Zwierlein. “Imagínense que si se les aplicara un lanzallamas a estos átomos, no les gustaría. Así que, a lo largo de los años, hemos aprendido algunos trucos para lograrlo. Y es la primera vez que lo hacemos in situ, donde podemos congelar repentinamente el movimiento de los átomos cuando interactúan fuertemente y verlos uno tras otro. Eso es lo que hace que esta técnica sea más potente que las anteriores”.

Racimos y pares

El equipo aplicó la técnica de imagen para observar directamente las interacciones entre bosones y fermiones. Los fotones son un ejemplo de bosón, mientras que los electrones son un tipo de fermión. Los átomos pueden ser bosones o fermiones, dependiendo de su espín total, que se determina por si el número total de sus protones, neutrones y electrones es par o impar. En general, los bosones se atraen, mientras que los fermiones se repelen.

Zwierlein y sus colegas fueron los primeros en visualizar una nube de bosones compuesta por átomos de sodio. A bajas temperaturas, una nube de bosones forma lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia donde todos los bosones comparten un mismo estado cuántico. Ketterle, del MIT, fue uno de los primeros en producir un condensado de Bose-Einstein, de átomos de sodio, por el que compartió el Premio Nobel de Física de 2001.

El grupo de Zwierlein ahora puede visualizar los átomos de sodio individuales dentro de la nube para observar sus interacciones cuánticas. Desde hace tiempo se ha predicho que los bosones deberían agruparse, con una mayor probabilidad de estar cerca unos de otros. Esta agrupación es consecuencia directa de su capacidad para compartir la misma onda cuántica. Esta característica ondulatoria fue predicha por primera vez por el físico Louis de Broglie. La hipótesis de la "onda de De Broglie" fue la que, en parte, impulsó el inicio de la mecánica cuántica moderna.

“Comprendemos mucho más sobre el mundo gracias a esta naturaleza ondulatoria”, dice Zwierlein. “Pero es realmente difícil observar estos efectos cuánticos ondulatorios. Sin embargo, con nuestro nuevo microscopio, podemos visualizar esta onda directamente”.

En sus experimentos de imagen, el equipo del MIT pudo observar, por primera vez in situ, la agrupación de bosones al compartir una onda cuántica correlacionada de De Broglie. El equipo también obtuvo imágenes de una nube de dos tipos de átomos de litio. Cada tipo de átomo es un fermión, que repele naturalmente a los de su propia clase, pero que puede interactuar fuertemente con otros tipos de fermiones específicos. Al obtener imágenes de la nube, los investigadores observaron que, efectivamente, los tipos opuestos de fermiones interactuaban y formaban pares de fermiones, un acoplamiento que pudieron observar directamente por primera vez.

“Este tipo de emparejamiento es la base de una construcción matemática que se inventó para explicar experimentos. Pero cuando ves imágenes como estas, se trata de una fotografía, de un objeto descubierto en el mundo matemático”, afirma Richard Fletcher, coautor del estudio. “Así que es un excelente recordatorio de que la física trata sobre cosas físicas. Es real”.

En el futuro, el equipo aplicará su técnica de imágenes para visualizar fenómenos más exóticos y menos comprendidos, como la “física Hall cuántica”: situaciones en las que los electrones en interacción muestran nuevos comportamientos correlacionados en presencia de un campo magnético.

“Ahí es donde la teoría se complica: cuando la gente empieza a dibujar imágenes en lugar de poder escribir una teoría completa porque no pueden resolverla por completo”, dice Zwierlein. “Ahora podemos verificar si estas caricaturas de estados cuánticos de Hall son reales. Porque son estados bastante extraños”.

Este logro no solo es una proeza tecnológica, sino también una ventana abierta hacia los mecanismos más íntimos del universo. Poder observar cómo se comportan las partículas fundamentales que lo conforman es como leer entre líneas de la realidad misma. ¿Cuántos misterios más podrán revelarse cuando podamos verlos con nuestros propios ojos?

Este trabajo fue financiado, en parte, por la National Science Foundation a través del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard, así como por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación del Ejército, el Departamento de Energía, la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa, una beca de la facultad Vannevar Bush y la Fundación David y Lucile Packard.