Investigadores del ICFO crean un líquido cuántico ultradiluido a partir de átomos ultra fríos

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Visión artística de una gota cuántica formada al mezclar dos gases de átomos de potasio ultra-fríos

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De izquierda a derecha: Julio Sanz, Bruno Naylor, Luca Tanzi, Leticia Tarruell, César R. Cabrera y Philip Thomas

El estudio, realizado por investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas –instituto universitario de investigación adscrito a la UPC–, se basa en la creación de un nuevo tipo de líquido cien millones de veces más diluido que el agua y un millón de veces menos denso que el aire. Publicado en la revista 'Science', utiliza un sorprendente efecto cuántico para producir gotas en esta fase exótica de la materia.

15/12/2017

Los líquidos y gases son dos estados de la materia que forman parte de nuestro día a día. Mientras que los gases son diluidos, compresibles y ocupan todo el espacio disponible, los líquidos son densos, su volumen está bien determinado y en pequeñas cantidades forman gotas. Estas gotas están constituidas por un conjunto de partículas ligadas entre sí y aisladas del entorno por una superficie exterior bien definida. Al calentarlas se evaporan, dando lugar a una transición de fase de líquido a gas. Esto es exactamente lo que sucede cuando hervimos agua al cocinar.

Ahora bien, ¿puede un líquido ser ultra-diluido? ¿Es posible imaginarse que un líquido contenido en una cuchara sopera pudiese ocupar el volumen de una piscina olímpica? Aunque en condiciones normales ésto es sin duda imposible, a muy bajas temperaturas la materia se comporta de forma inusual y sorprendente. En un estudio reciente publicado en la revista Science, los investigadores César R. Cabrera, Luca Tanzi, Julio Sanz, Bruno Naylor, Philip Thomas y Pierrick Cheiney, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)–, liderados por la professora Cellex Nest del ICFO Leticia Tarruell, han creado un líquido cien millones de veces más diluido que el agua y un millon de veces menos denso que el aire.

Para conseguirlo, han enfriado un gas de átomos de potasio a -273.15º C, muy cerca del cero absoluto. Aunque a estas temperaturas los átomos se comportan como ondas y obedecen las leyes de la mecánica cuántica, aún conservan una propiedad intrínseca de los gases: ocupan todo el volumen disponible. Sin embargo, al mezclar dos gases que se atraen entre si a esas temperaturas tan bajas, se  pueden formar gotas líquidas ultra-diluidas. “En muchos aspectos, nuestras gotas cuánticas de potasio son muy similares a las gotas de agua:  tienen una forma y tamaño bien definidos. Por otra parte, están extremadamente frías y tienen propiedades cuánticas únicas”, explica César R. Cabrera, primer autor del artículo.

De hecho, la existencia de estas gotas se debe exclusivamente a las fluctuaciones cuánticas, un efecto cuántico sorprendente. Además, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, los átomos que las forman no pueden estar nunca en reposo absoluto. Este movimiento continuo genera una pequeña energía adicional que hace que las gotas muy pequeñas se evaporen convirtiéndose nuevamente en un gas. “Estas gotas son fascinantes porque, a pesar de ser objetos macroscópicos formados por miles de partículas, su comportamiento está totalmente determinado por fluctuaciones y correlaciones cuánticas. Al observar la transición de fase entre líquido y gas, podemos medir mejor estos efectos cuánticos”, afirma la profesora Leticia Tarruell.

El carácter ultra-diluido y las propiedades intrínsecamente cuánticas de estas gotas hacen que sean ideales para comprender mejor el comportamiento de muchas partículas cuánticas en interacción, así como algunas de las características comunes al helio líquido, las estrellas de neutrones o incluso algunos materiales complejos.