Físicos congelan ‘collar’ de átomos y confirman teoría cuántica de hace 100 años
En un experimento que parece sacado de la ciencia ficción, un equipo de físicos ha logrado crear y detectar evidencia de las llamadas ‘cadenas de Bethe’, estructuras predichas por la teoría cuántica hace casi un siglo. El hallazgo, publicado el 29 de agosto en la revista Nature Communications, no promete gadgets revolucionarios, pero resuelve un misterio fundamental sobre cómo se comportan las partículas interactuantes.
El origen de las cadenas de Bethe
En 1931, el físico Hans Bethe intentaba explicar el magnetismo de ciertos materiales usando la mecánica cuántica. Al estudiar una fila de electrones, descubrió que si algunos espines cambiaban de dirección, podían unirse y viajar juntos como una sola unidad. Décadas después, se comprendió que este comportamiento también aplica a partículas más grandes, como átomos, que se atraen a lo largo de una línea. La teoría predice que estas partículas se agruparán en racimos llamados cadenas de Bethe.
Hasta ahora, solo se habían observado cadenas individuales en cristales magnéticos y circuitos superconductores. Pero la teoría sugiere que multitudes de cadenas de distintos tamaños pueden alterar el comportamiento de todo un sistema. Estudiar eso requería crear muchas cadenas a la vez, algo difícil con átomos porque tienden a colapsar.
Un collar de átomos ultrafríos
El equipo, liderado por Hanns-Christoph Nägerl de la Universidad de Innsbruck, utilizó decenas de miles de átomos de cesio enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto, formando un condensado de Bose-Einstein. Con haces de luz láser, dividieron este condensado en miles de tubos delgados, cada uno conteniendo una fila de átomos.
Al principio, los átomos se repelían entre sí. Luego, mediante un campo magnético, los investigadores ajustaron esa repulsión hasta cero y luego la convirtieron en atracción. Así, los átomos comenzaron a unirse en cadenas. “Son como perlas en un collar; no pueden pasar unas sobre otras”, explicó Nägerl. En tres dimensiones, la atracción haría colapsar el gas, pero en una sola dimensión, las cadenas se mantienen estables.
Detectando lo invisible
Como no podían ver las cadenas directamente, los científicos midieron cómo se expandía la nube de átomos al liberarlos. Cuando los átomos solo podían moverse a lo largo de los tubos, las cadenas permanecían intactas. Al liberarlos en tres dimensiones, las cadenas se rompían y liberaban energía en forma de movimiento. La diferencia de energía entre ambos escenarios permitió estimar que las cadenas contenían al menos seis átomos.
Los resultados coincidieron con las predicciones de una teoría llamada hidrodinámica generalizada, que describe el gas como un fluido compuesto por varios tipos de partículas, incluidas las cadenas. Sin embargo, Nägerl fue cauteloso: “Que una teoría se ajuste a tus datos no prueba que algo exista”, afirmó. Es solo evidencia adicional.
Vida efímera y futuros experimentos
Las cadenas probablemente no duran mucho. Los átomos aún sienten el mundo tridimensional y eventualmente decaen en moléculas ordinarias de cesio. En las pruebas más frías, se perdió cerca del 40% de los átomos. “Se crean transitoriamente estos estados de cadenas de Bethe, pero no creo que sean de larga vida”, dijo Nägerl.
Para futuros experimentos, el equipo propone usar moléculas ultrafrías protegidas con microondas, que podrían durar más y permitir un estudio directo. Otra opción es la microscopía de gases cuánticos, que imagea átomos individualmente. El objetivo a largo plazo de Nägerl es controlar el movimiento y el espín de cada partícula para ensamblar materiales modelo pieza por pieza, “como si fueran LEGOs”.
Aunque las cadenas de Bethe podrían parecer una “pequeña distracción”, su formación es inevitable cuando los átomos se atraen, por lo que no pueden ignorarse. Este trabajo representa un paso más en la comprensión de los sistemas cuánticos de muchas partículas.
