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| El boomerang cuántico del Laboratorio Weld mostró la salida inicial de un átomo de litio y su regreso al momento medio cero a pesar de las "patadas" periódicas de energía de su rotor pateado cuánticamente. Crédito: Roshan Sajjad |
Físicos de la Universidad de Santa Bárbara han sido los primeros en observar experimentalmente un comportamiento peculiar del mundo cuántico: un efecto de "boomerang cuántico" que se produce cuando las partículas de un sistema desordenado son expulsadas de su lugar. En lugar de aterrizar en otro lugar, como cabría esperar, dan la vuelta y regresan al lugar donde empezaron y se detienen allí.
"Es realmente un efecto fundamentalmente mecánico cuántico", afirma el físico atómico David Weld, cuyo laboratorio produjo el efecto y lo documentó en un artículo publicado en Physical Review X. "No hay ninguna explicación clásica para este fenómeno".
El efecto boomerang tiene sus raíces en un fenómeno que el físico Philip Anderson predijo hace aproximadamente 60 años, un comportamiento inducido por el desorden llamado localización de Anderson que inhibe el transporte de electrones. El desorden, según el autor principal del artículo, Roshan Sajjad, puede ser el resultado de imperfecciones en la red atómica de un material, ya sean impurezas, defectos, desajustes u otras perturbaciones.
"Este tipo de desorden les impide, básicamente, dispersarse en cualquier lugar", explica Sajjad. Como resultado, los electrones se localizan en lugar de desplazarse a lo largo de la red, convirtiendo lo que de otro modo sería un material conductor en un aislante. A partir de esta condición cuántica bastante pegajosa, se predijo hace unos años que surgiría el efecto boomerang cuántico.
Lanzar electrones desordenados fuera de su posición localizada y seguirlos para observar su comportamiento es extremadamente difícil, si no imposible en la actualidad, pero el Laboratorio Weld tenía algunos trucos bajo la manga. Utilizando un gas de 100.000 átomos de litio ultrafríos suspendidos en una onda estacionaria de luz y "pateándolos", emulando el llamado rotor cuántico pateado ("similar a un péndulo pateado periódicamente", dijeron tanto Weld como Sajjad), los investigadores pudieron crear el entramado y el desorden, y observar el lanzamiento y el retorno del boomerang. Trabajaron en el espacio del momento, un método que evade algunas dificultades experimentales sin cambiar la física subyacente del efecto bumerán.
"En un espacio de posición normal, si se busca el efecto boomerang, se le da al electrón una velocidad finita y luego se busca si vuelve al mismo lugar", explicó Sajjad. "Como estamos en el espacio del momento, empezamos con un sistema que tiene un momento medio cero, y buscamos una salida seguida de un retorno al momento medio cero".
Utilizando su rotor de patada cuántica, pulsaron la red unas cuantas docenas de veces, observando un cambio inicial en el momento medio. Sin embargo, con el tiempo y a pesar de las repetidas patadas, el momento medio volvió a cero.
"Se trata de un comportamiento fundamentalmente diferente", dijo Weld. En un sistema clásico, explicó, un rotor pateado de esta manera respondería absorbiendo constantemente la energía de las patadas. "Si tomamos una versión cuántica de la misma cosa, lo que vemos es que empieza a ganar energía en momentos cortos, pero en algún momento simplemente se detiene y no absorbe más energía. Se convierte en lo que se llama un estado dinámicamente localizado".
Este comportamiento, dijo, se debe a la naturaleza ondulatoria de los sistemas cuánticos.
"Ese trozo de materia que estás alejando no es sólo una partícula, sino que también es una onda, y ése es un concepto central de la mecánica cuántica", explicó Weld. "Debido a esa naturaleza ondulatoria, está sujeta a la interferencia, y esa interferencia en este sistema resulta estabilizar un retorno y morada en el origen". En su experimento, los investigadores demostraron que las patadas periódicas que presentan una simetría de inversión temporal producirían el efecto boomerang, pero las patadas programadas al azar destruirían tanto la simetría como, en consecuencia, el efecto boomerang.
Lo siguiente para el Laboratorio de Soldadura: Si los efectos de bumerán individuales son geniales, ¿cuánta más fiesta sería tener varios efectos de bumerán interactuando?
"Hay muchas teorías y preguntas sobre lo que debería ocurrir: ¿las interacciones destruirían el boomerang? ¿Existen efectos interesantes de muchos cuerpos?". dijo Sajjad. "La otra cosa emocionante es que podemos utilizar el sistema para estudiar el boomerang en dimensiones superiores".
También han investigado en este proyecto Jeremy L. Tanlimco, Héctor Mas, Eber Nolasco-Martínez y Ethan Q. Simmons, de la UCSB; Tommaso Macrì, de la Universidad Federal de Río Grande del Norte, y Patrizia Vignolo, de la Universidad de la Costa Azul.
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