Por primera vez, los físicos han confirmado un extraño fenómeno cuántico en el que pequeñas partículas, cuando se las saca de su posición, regresan directamente al lugar de donde vinieron.
El extraño comportamiento, denominado efecto boomerang cuántico, se ha predicho durante más de 60 años. Ahora se publicó un nuevo experimento en la revista el 23 de febrero. Comprobación física X muestra que el efecto es real: cuando las partículas en los sistemas desordenados se expulsan fuera de lugar, se van volando por un corto tiempo. Pero la mayoría de las veces, en lugar de aterrizar en otro lugar, volverán directamente a sus posiciones iniciales.
El extraño efecto no puede ser explicado por la física determinista clásica; En cambio, es una consecuencia de las extrañas reglas de mecánica cuántica. Cuándo átomos Al existir no solo como partículas sino como ondas al mismo tiempo, estas ondas pueden interferir entre sí, sumarse en algunos lugares y cancelarse en otros para causar todo tipo de comportamientos extraños que no esperaríamos.
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El físico teórico estadounidense Philip Anderson sentó las bases para predecir el efecto boomerang cuántico en 1958. En el mundo cuántico, los objetos se comportan simultáneamente como partículas discretas y como ondas, y la amplitud de estas ondas en una determinada región del espacio está ligada a la probabilidad de encontrar una partícula en esa ubicación.
Anderson se dio cuenta de que el desorden o la aleatoriedad (como los defectos aleatorios en la estructura de un material) pueden hacer que la onda de probabilidad de una partícula se cancele en cualquier lugar menos en una pequeña región del espacio. Arraigada en un lugar e incapaz de moverse, cambiar de estado o compartir energía con su entorno, la partícula se localiza.
Anderson concluyó que los electrones de un sistema desordenado estarían localizados y que esto transformaría un metal de conductor eléctrico a aislante. (En los conductores, las partículas cargadas pueden moverse libremente en el material, pero están fijas en un aislante).
Pero, ¿qué le sucedería a una partícula forzada a salir de su posición congelada por un tirón repentino? En 2019, los físicos propusieron una respuesta: los efectos de interferencia cuántica obligarían a las partículas localizadas más distantes a regresar rápidamente a sus posiciones iniciales.
Para demostrar este efecto experimentalmente por primera vez, los investigadores suspendieron un gas compuesto por 100.000 átomos de litio en una trampa magnética y luego los enfriaron a unas pocas nanofracciones de grado usando un láser. Cero absolutoConversión de los átomos en una fase de la materia llamada Condensado de Bose-Einstein.
Al enfriar el gas hasta casi el cero absoluto (menos 459,67 grados Fahrenheit o menos 273,15 grados Celsius), los científicos engañaron a los átomos para que perdieran energía y entraran en los mismos estados de energía. Debido a que los investigadores solo podían distinguir átomos idénticos en una nube de gas en función de los niveles de energía, esta ecualización tiene un efecto profundo: la nube que alguna vez fue dispar de átomos que vibran, se sacuden y chocan que forman un gas más cálido se convierte, desde una perspectiva mecánica cuántica, en perfectamente idéntico.
Esto abre la puerta a algunos efectos cuánticos realmente extraños. Una regla clave del comportamiento cuántico, el principio de incertidumbre de Heisenberg, establece que es imposible localizar simultáneamente la posición y el momento de una partícula con absoluta precisión. Pero ahora que los átomos del condensado de Bose-Einstein están estacionarios, se conoce su momento total. Esto hace que las posiciones de los átomos sean tan inciertas que los lugares que podrían ocupar se vuelven más grandes en área que las distancias entre los átomos mismos.
En lugar de átomos discretos, los átomos superpuestos en la esfera condensada difusa de Bose-Einstein aparecen como una partícula gigante. Esto le da a algunos condensados de Bose-Einstein la propiedad de superfluidez, lo que permite que sus partículas fluyan sin fricción. Si pudiera remover un vaso de precipitados lleno de un condensado de Bose-Einstein súper líquido, nunca dejaría de girar.
Esto significa que cuando los investigadores sacuden su condensado con un rayo láser, «es una patada colectiva para todos los átomos», dijo a WordsSideKick.com el autor principal Roshan Sajjad, físico de la Universidad de California en Santa Bárbara. «Debido a que tenemos condensado, todos actúan como una onda, una onda de materia macroscópica».
Los 100.000 átomos de los investigadores, actuando como uno solo, les permitieron rastrear fácilmente el impulso impartido a su sistema. Después de que el condensado atómico se sometiera a una serie de 25 colisiones láser, los investigadores observaron cómo las colisiones iniciales aumentaban el impulso de los átomos en el sistema, lo que sugiere que se habían desplazado brevemente de sus posiciones. Pero agregar más jabs no aumentó más ese impulso. Más bien, ha llevado el impulso promedio a cero; los átomos habían regresado a sus lugares de origen.
Este comportamiento nunca ocurriría en un sistema clásico; En este caso, un péndulo o rotor en constante movimiento absorbería continuamente la energía de cada sacudida.
«Las partículas clásicas irán y darán un paseo al azar en un paisaje complicado, pero si esperas lo suficiente, llegarán muy lejos», dice Dominique Delande, físico del Centro Nacional de Investigación para la Investigación Científica de Francia que formó parte de un equipo que trabaja en eso predijo el efecto en 2019dijo WordsSideKick.com.
Este no es el caso en un sistema dominado por efectos cuánticos. En tal sistema, «cada partícula explora una parte del paisaje, y dado que también son ondas, cada una lleva su propia fase», dijo Delande. «Cuando estas ondas interfieren, resulta que a larga distancia la interferencia es esencialmente destructiva». Esta interferencia destructiva a gran escala de las ondas de probabilidad de las partículas hace que éstas reboten hasta sus orígenes.
Los científicos también confirmaron las condiciones bajo las cuales el boomerang cuántico dejaría de funcionar si se rompiera algo llamado simetría de inversión del tiempo.
La simetría de inversión de tiempo ocurre cuando las leyes físicas que actúan sobre un objeto son las mismas hacia adelante en el tiempo que hacia atrás. Para que el efecto boomerang cuántico funcione, se debe mantener estrictamente la simetría de inversión del tiempo, lo que significa que las partículas deben ser golpeadas por un pulso de ráfagas de láser cronometrado regularmente. Después de que el equipo cambiara el patrón de patada láser normal a uno irregular, se rompió la simetría temporal, se violaron las reglas mecánicas cuánticas que permiten el efecto y desapareció el comportamiento del boomerang.
Ahora que los investigadores han confirmado que el efecto es real, quieren probarlo más a fondo para ver si es posible que se produzcan simultáneamente múltiples efectos de boomerang cuántico que interactúan.
«Si podemos ajustar la interacción entre los átomos mientras hacemos este experimento, se convierte en un estudio de muchos efectos corporales, por lo que estamos muy entusiasmados», dijo Sajjad a WordsSideKick.com. «También queremos observar efectos de dimensiones superiores, pedalear con múltiples frecuencias e introducir una segunda o tercera dimensión del tiempo».
Publicado originalmente en Live Science.
Adam Mann contribuyó a esta historia el 18 de marzo de 2022.
