Por más extrañas y únicas que parezcan las leyes del reino cuántico en nuestra experiencia cotidiana, de vez en cuando los experimentos detectan fenómenos que parecen ajenos y, al mismo tiempo, inquietantemente familiares. Por primera vez, se ha visto cómo las gotas se rompen y forman una “lluvia cuántica” en un fluido ultrafrío y degenerado de isótopos de potasio y rubidio, uniendo el mundo clásico de la dinámica de fluidos con el paisaje etéreo de los gases atómicos. Un equipo de investigadores de España e Italia analizó las propiedades del gas atómico fragmentado, ampliando el conocimiento actual sobre cómo se comportan los líquidos cuánticos de maneras que podrían ayudarnos a manipular mejor su actividad.
“Nuestras mediciones no solo hacen avanzar la comprensión de esta fase líquida exótica, sino que también demuestran la posibilidad de crear conjuntos de gotas cuánticas para futuras aplicaciones en tecnologías cuánticas”, dice Luca Cavicchioli, primer autor del estudio y físico de materia condensada del Instituto Nacional de Óptica de Italia.
Ver cómo una tormenta lanza una lluvia de gotas de agua contra el cristal de una ventana es poesía escrita con apuntes de física. Cada esfera líquida está unida por una capa de tensión superficial, que se fusiona, se divide y se vuelve a fusionar a medida que la gravedad las arrastra zigzagueando por el cristal a trompicones. Estos movimientos son en gran medida el resultado de un tira y afloja entre fuerzas moleculares en lo que se conoce como la inestabilidad Plateau-Rayleigh.
Un desequilibrio sutil en las cargas distribuidas entre los átomos de hidrógeno y oxígeno del agua crea un efecto dipolar, que empuja y atrae las cargas en el agua y el vidrio para dividir las gotas más grandes en gotas más pequeñas o para agregar las más pequeñas en perlas gruesas y húmedas que mantienen el área de la superficie en un mínimo absoluto. Mientras que los átomos de oxígeno e hidrógeno en las moléculas de agua son sistemas distintos de electrones y partículas nucleares, los átomos en un gas ultrafrío pierden su identidad. Predominan las probabilidades cuánticas, dispersando los bosones en una sola nube donde el concepto de partícula puntual deja de tener sentido.
Sin embargo, esto no significa que no existan intereses contrapuestos en el gas atómico. A diferencia del promedio de energía en la nube, existen fluctuaciones en las soluciones a la disposición potencial de la nube, lo que crea un impulso repulsivo en lo que se conoce como corrección Lee-Huang-Yang. Esta tensión también puede provocar que los gases atómicos se desintegren brevemente en gotitas más pequeñas, que varían en tamaño y forma dependiendo de los bosones y estados de las partículas que componen el gas. Las gotitas cuánticas ya se han visto y estudiado antes, aunque su breve existencia ha hecho que sea difícil estudiarlas.
Los investigadores detrás de este nuevo experimento comenzaron con observaciones de gotitas cuánticas que persistían durante decenas de milisegundos en nubes ultrafrías de potasio-41 y rubidio-87, lo que les dio un punto de partida potencial para realizar experimentos. Al liberar el líquido cuántico en un canal llamado guía de ondas que restringía la naturaleza ondulatoria de la mezcla, descubrieron que se formaban múltiples gotas: una verdadera “lluvia” de actividad.
Physical Review Letters, 2025.
Las formas que adoptaron los fragmentos dependieron de su confinamiento en un estado fundamental de energía, y sus longitudes estuvieron determinadas por variaciones en el número de átomos. La dinámica de los resultados del experimento fue predicha por la teoría, dando a los investigadores una base empírica para nuevas herramientas que podrían ayudarlos a entender mejor cómo los efectos cuánticos reflejan fenómenos en nuestra vida cotidiana.
“Al combinar experimentos con simulaciones numéricas, pudimos describir la dinámica de ruptura de una gota cuántica en términos de inestabilidad capilar”, afirma la física Chiara Fort de la Universidad de Florencia.
“La inestabilidad de Plateau-Rayleigh es un fenómeno común en los líquidos clásicos, también observado en el helio superfluido, pero todavía no en los gases atómicos”.
Esta investigación fue publicada en Physical Review Letters.
Fuente: Science Alert.
