Unos científicos resuelven un problema de la física cuántica que podría llevarnos a conseguir una fuente de energía prácticamente infinita

El estudio recién publicado apunta al conocido como 'estado borde' de la materia, cuyo domino nos podría conducir a sistemas energéticos muy eficientes con pérdidas mínimas.

Una de las cosas más difíciles de explorar en el mundo cuántico es que muchos de los fenómenos de este reino "invisible" ocurren a escalas alucinantemente pequeñas.

Por ejemplo, el llamado efecto Hall cuántico. Descubierto en 1980 por el físico alemán Klaus von Klitzing, este efecto describe el comportamiento de los electrones (bajo la influencia de un campo magnético y a temperaturas cercanas al cero absoluto) cuando atraviesan materiales 2D, como el grafeno. Por lo general, se esperaría que los electrones experimentaran resistencia y se dispersaran, pero en estas condiciones, formaron estados de energía sin pérdidas encerrados a lo largo de la frontera del material.

Esta cuantización de la resistencia eléctrica, conocida como "estado borde", es especialmente útil si se quieren crear materiales exóticos libres de resistencia eléctrica. Pero hay un problema.

"Estos estados se producen en femtosegundos y a través de fracciones de nanómetro, lo cual es increíblemente difícil de captar", afirma Richard Fletcher, profesor adjunto del MIT, en un comunicado de prensa. Un femtosegundo es la cuatrillonésima parte de un segundo. "Lo bonito es ver con tus propios ojos una física absolutamente increíble, pero que suele estar oculta en los materiales y no se puede ver directamente".

Para estudiar realmente esta interacción cuántica a una escala más razonable, Fletcher -junto con sus colegas del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y del Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafríos- se decidió por un método novedoso para ampliar esencialmente este fenómeno utilizando una nube de átomos de sodio ultrafríos en lugar de electrones.

Según los investigadores, esto permitió al equipo observar la formación de estos estados límite "en milisegundos y micras", parámetros experimentales mucho más manejables. Los resultados del estudio se publicaron la semana pasada en la revista Nature Physics.

Crear esta interacción cuántica a mayor escala requirió un gran ingenio experimental. El equipo utilizó un millón de átomos de sodio ultrafríos y los atrapó en un complejo sistema de láseres. Sin embargo, para simular la experiencia de vivir en un espacio plano, los investigadores también los hicieron girar como "jinetes en un Gravitron de parque de atracciones".


"La trampa intenta tirar de los átomos hacia dentro, pero hay una fuerza centrífuga que intenta tirar de ellos hacia fuera", explica Fletcher. "Las dos fuerzas se equilibran, así que si eres un átomo, crees que vives en un espacio plano, aunque tu mundo gira. También hay una tercera fuerza, el efecto Coriolis, de tal forma que si intentan moverse en línea, se desvían. Así que estos átomos masivos se comportan ahora como si fueran electrones viviendo en un campo magnético".

A continuación, los científicos definieron el «borde» de este material gaseoso introduciendo un láser, que formó una pared alrededor de los átomos. Una vez que los átomos encontraban la luz, fluían en una sola dirección, como los electrones a escalas cuánticas ultrapequeñas.

"Imaginemos que son como canicas que se hacen girar muy deprisa en un cuenco y no paran de dar vueltas alrededor del borde", explica Martin Zwierlein, coautor del estudio, en un comunicado de prensa. "No hay fricción. No hay ralentización ni fugas o dispersión de átomos en el resto del sistema. Sólo hay un flujo hermoso y coherente".

Para probar la resistencia de estos átomos, el equipo colocó obstáculos -como un punto de luz- en sus trayectorias, y los átomos pasaron sin ninguna resistencia medible.

Ahora que los científicos disponen de un soporte fiable para este proceso cuántico, futuros experimentos podrán llevar estas interacciones al "límite" y empezar a explorar fronteras desconocidas de esta fascinante pieza de la física cuántica.

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