Un grupo de científicos ha logrado capturar las primeras imágenes de átomos individuales interactuando libremente en el espacio, algo que hasta ahora solo se había predicho, pero nunca observado directamente.
De acuerdo con sus hallazgos, publicados en la revista Physical Review Letters, estas imágenes fueron posibles gracias a una técnica desarrollada por físicos del MIT, que permitió obtener visualizaciones inéditas de diferentes tipos de átomos.
Durante el proceso, se generó una nube de átomos que se movían e interactuaban libremente. Posteriormente, se utilizó una red de luz para congelarlos brevemente en su trayectoria. Con el apoyo de láseres de alta precisión, los científicos iluminaron rápidamente los átomos suspendidos y capturaron imágenes de sus posiciones antes de que se disiparan de forma natural.
Esto permitió observar directamente a los átomos conocidos como bosones, que se agrupan en un fenómeno cuántico para formar una onda compartida, y a los fermiones, que se aparean en el espacio libre mediante un mecanismo que permite la superconductividad.
Visualizar lo invisible
El equipo a cargo del experimento fue liderado por Martin Zwierlein, profesor de Física Thomas A. Frank en el MIT. Gracias a esta técnica, fue posible visualizar detalles en átomos que miden apenas una décima de nanómetro de diámetro, es decir, una millonésima parte del grosor de un cabello humano.
Los átomos se comportan según las reglas de la mecánica cuántica, lo que hace muy difícil conocer con precisión su ubicación o su velocidad. Por ello, se aplicaron distintos métodos para captar imágenes. Uno de ellos fue la imagen por absorción, donde un láser ilumina la nube atómica y proyecta su sombra en una cámara. Sin embargo, este método solo revela la forma general de la nube, no los átomos individuales.
Para superarlo, se adoptó un enfoque diferente: una técnica conocida como microscopía con resolución atómica. Consiste en encerrar una nube de átomos dentro de una trampa óptica flexible generada por un rayo láser. Luego, se proyecta una red de luz para congelarlos en sus posiciones, y se aplica un segundo láser que hace que los átomos emitan fluorescencia, lo que permite revelar sus posiciones individuales.
Uno de los mayores retos, según Zwierlein, fue captar la luz de los átomos sin evaporarlos. Describió el proceso como “aplicarles un lanzallamas”, ya que requiere alta precisión para congelar el movimiento sin destruir la estructura atómica.
Bosones y fermiones bajo el microscopio
La técnica también se aplicó para observar directamente las interacciones entre bosones y fermiones, cuya diferencia se define por su espín total, determinado por si el número total de protones, neutrones y electrones es impar o par. Mientras los bosones tienden a atraerse, los fermiones tienden a evitarse entre sí.
Gracias a este método, el equipo logró visualizar una nube de bosones formada por átomos de sodio, que a temperaturas muy bajas forma un condensado de Bose-Einstein: un estado de la materia en el que todos los bosones comparten un mismo estado cuántico.
Al observar estos átomos, se confirmó una predicción previa: los bosones tienen mayor probabilidad de agruparse, ya que pueden compartir la misma onda cuántica, como lo planteó el físico Louis de Broglie.
Además, se analizaron nubes formadas por dos tipos de átomos de litio, ambos fermiones, que naturalmente se repelen entre sí. No obstante, se comprobó que pueden interactuar fuertemente con otros tipos específicos de fermiones, como anticipaban los modelos teóricos.
Próximo paso: fenómenos cuánticos aún más complejos
El siguiente paso del equipo es aplicar esta técnica para visualizar fenómenos “más exóticos y menos comprendidos”, como el efecto Hall cuántico, en la que los electrones muestran comportamientos correlacionados en presencia de un campo magnético.
Esto podría ayudar a verificar si dichos campos son reales, ya que actualmente no existe una teoría completa que los describa. “Cuando eso pasa”, dice Zwierlein, “la gente deja de escribir ecuaciones y comienza a dibujar imágenes”.
Cortesía de Xataka
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