Por primera vez, logran crear una escalera cuántica en un experimento inédito: los escalones de Shapiro en átomos ultrafríos

A primera vista, la imagen de una “escalera cuántica” puede sonar a fantasía científica. Sin embargo, eso es exactamente lo que ha logrado un equipo internacional de investigadores: observar por primera vez una estructura escalonada creada por átomos ultrafríos en un sistema controlado de laboratorio. No se trata de peldaños físicos, claro, sino de una serie de saltos medibles en el comportamiento de un gas cuántico que se comporta como una versión atómica de un circuito electrónico.

Este fenómeno, conocido como “escalones de Shapiro”, ya se había observado en sistemas superconductores, pero nunca antes se había logrado detectarlo en un sistema formado por átomos ultrafríos fuertemente correlacionados. El logro, publicado en la revista Science y respaldado por un experimento extremadamente preciso, abre una nueva vía para explorar fenómenos cuánticos colectivos con una claridad inédita. Como indican los autores del estudio, esta observación representa un avance importante en el control y la comprensión de sistemas cuánticos complejos.

Un circuito cuántico hecho de átomos

El experimento se basa en un concepto clave en física cuántica: la unión de Josephson, un tipo de conexión entre dos regiones superfluidas separadas por una barrera delgada y que ha sido noticia recientemente. En sistemas electrónicos, estas uniones permiten el paso de corriente sin resistencia, y su estudio ha sido crucial en el desarrollo de sensores cuánticos y computadoras cuánticas.

En este caso, los investigadores crearon una unión de Josephson atómica utilizando gases de litio-6 a temperaturas cercanas al cero absoluto, confinados en una trampa óptica bidimensional. Estas nubes atómicas se separaron mediante una delgada barrera de luz láser, sobre la que se aplicó una corriente alterna modulada con gran precisión.

Lo sorprendente ocurrió al observar el flujo de los átomos: la diferencia de potencial químico entre los dos lados de la unión no varió de forma continua, sino en una serie de saltos discretos y regulares. Estos saltos son el equivalente atómico de los escalones de Shapiro, un efecto conocido desde hace décadas en física del estado sólido, pero nunca antes observado en este tipo de sistemas con átomos fuertemente interactuantes.

Cómo se construye una escalera cuántica

Para entender el fenómeno, es útil pensar en cómo se genera el efecto. La clave está en la sincronización entre la fase cuántica relativa de los dos lados de la unión y la frecuencia de la corriente alterna aplicada. En condiciones específicas, esta sincronización genera un patrón repetitivo y cuantizado, en el que la diferencia de fase se bloquea a múltiplos enteros del período del campo externo.

“Observamos mesetas cuantificadas en la relación corriente-potencial, cuya altura y anchura reflejan la frecuencia del campo aplicado y la respuesta no lineal de la unión”, explican los autores. Este comportamiento escalonado no es aleatorio, sino que responde directamente a una frecuencia externa, como si los átomos estuvieran “subiendo” una escalera invisible construida por el propio campo oscilante.

Además, los investigadores confirmaron que el número y la amplitud de los escalones variaban según los parámetros del sistema, y que la altura de cada escalón coincidía con los valores teóricos predichos por el modelo de Josephson. Esta coincidencia ofrece una validación experimental robusta del fenómeno.

Un efecto cuántico con consecuencias visibles

Una de las contribuciones más notables de este trabajo fue lograr una medición directa de la dinámica de fase a nivel microscópico. Utilizando técnicas de interferometría de materia, el equipo pudo visualizar cómo evoluciona la fase relativa entre los dos lados de la unión a lo largo del tiempo, y cómo esa evolución se sincroniza con la señal externa.

Durante las mediciones, se observó algo todavía más fascinante: la aparición periódica de pares vórtice-antivórtice en el condensado, un fenómeno que refleja pérdidas de fase (o phase slips) en el sistema. Estas formaciones, que pueden visualizarse como “remolinos” en el gas superfluido, aparecen en sincronía con los escalones de Shapiro, como manifestaciones físicas del cambio de fase.

“Detectamos procesos periódicos de salto de fase en forma de pares vórtice-antivórtice”, señala el estudio. “Nuestros resultados demuestran efectos de coherencia de fase y sincronización en superfluidos fuertemente correlacionados”, lo que convierte este experimento en una referencia para futuras investigaciones sobre dinámica cuántica fuera del equilibrio.

Una plataforma para explorar la física del futuro

Este experimento no solo reproduce un fenómeno cuántico ya conocido en otro contexto, sino que abre la puerta a estudiar efectos de sincronización, coherencia y transporte en sistemas cuánticos altamente controlados. En lugar de depender de materiales sólidos complejos, como los superconductores convencionales, los investigadores pueden ahora usar átomos fríos como plataforma experimental, con una flexibilidad y control sin precedentes.

El experimento también tiene implicaciones para el campo emergente de la atomtrónica, una rama de la física que busca construir circuitos y dispositivos cuánticos utilizando átomos neutros en lugar de electrones. Como señala Luigi Amico, uno de los líderes del proyecto teórico, “este es un gran paso para la atomtrónica”, y demuestra que estas plataformas pueden emular fenómenos electrónicos complejos con un nivel de detalle imposible en otros entornos.

Además, los resultados podrían inspirar nuevas técnicas para medir diferencias de potencial químico con precisión, algo especialmente útil en gases superfluidos donde la ecuación de estado es difícil de modelar. Esto convierte a las “escaleras cuánticas” en una herramienta no solo conceptual, sino también práctica para futuras aplicaciones tecnológicas.

Cortesía de Muy Interesante

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