Se demostró finalmente un extraño efecto cuántico que puede volver la materia invisible

Finalmente se ha demostrado un extraño efecto cuántico que se predijo hace décadas: si hace que una nube de gas sea lo suficientemente fría y densa, puede hacerla invisible.

Los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) utilizaron láseres para apretar y enfriar litio gas a densidades y temperaturas lo suficientemente bajo como para dispersar menos luz. Si pueden enfriar la nube aún más cerca del cero absoluto (menos 459,67 grados Fahrenheit, o menos 273,15 grados Celsius), dicen que se volverá completamente invisible.

El extraño efecto es el primer ejemplo específico de una mecánica cuántica proceso llamado bloqueo de Pauli.

«Lo que hemos observado es una forma muy especial y simple de bloqueo de Pauli, que es que previene un átomo de lo que todos los átomos harían naturalmente: dispersar la luz «, dijo el autor principal del estudio, Wolfgang Ketterle, profesor de física en el MIT, dijo en un comunicado. «Esta es la primera observación clara de que existe este efecto y muestra un nuevo fenómeno en la física».

La nueva técnica podría usarse para desarrollar materiales supresores de luz para evitar la pérdida de información en las computadoras cuánticas.

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El bloqueo de Pauli proviene del principio de exclusión de Pauli, formulado por primera vez por el famoso físico austriaco Wolfgang Pauli en 1925. Pauli postuló que todas las llamadas partículas de fermiones, como protones, neutrones y electrones, con el mismo estado cuántico entre sí, no pueden existir en el mismo espacio.

Debido a que en el espeluznante nivel cuántico solo hay un número finito de estados de energía, esto obliga a los electrones en los átomos a apilarse en capas de niveles de energía más altos que orbitan cada vez más alrededor de los núcleos atómicos. También mantiene separados los electrones de los átomos separados porque, según un estudio de 1967 papel en coautoría del famoso físico Freeman Dyson, sin el principio de exclusión todos los átomos colapsarían juntos mientras estallan en una enorme liberación de energía.

Estos resultados no solo producen la sorprendente variación de los elementos del tabla periódica pero también evitar que nuestros pies, cuando están plantados en la tierra, caigan por el suelo, llevándonos a caer al De la tierra centrar.

El principio de exclusión también se aplica a los átomos de un gas. Por lo general, los átomos en una nube de gas tienen mucho espacio para rebotar, lo que significa que, aunque pueden ser fermiones sujetos al principio de exclusión de Pauli, hay suficientes niveles de energía desocupados para que puedan saltar para que el principio no impida significativamente. su movimiento. Envíe un fotón, o partícula de luz, a una nube de gas relativamente caliente y cualquier átomo con el que se encuentre podrá interactuar con él, absorbiendo su impulso entrante, retrocediendo a un nivel de energía diferente y dispersando el fotón.

Pero enfríe un gas y tendrá una historia diferente. Ahora los átomos pierden energía, llenando todos los estados más bajos disponibles y formando un tipo de materia llamada mar de Fermi. Las partículas ahora están agrupadas entre sí, incapaces de subir a niveles de energía más altos o descender a niveles más bajos.

En este punto, están apilados en conchas como asistentes a un concierto sentados en una arena agotada y no tienen a dónde ir si los golpean, explicaron los investigadores. Están tan empaquetados que las partículas ya no pueden interactuar con la luz. La luz que se envía es Pauli bloqueada y simplemente pasará directamente.

«Un átomo sólo puede dispersar un fotón si puede absorber la fuerza de su patada, moviéndose a otra silla», dijo Ketterle. «Si todas las demás sillas están ocupadas, ya no tiene la capacidad de absorber la patada y dispersar el fotón. Entonces, el átomo se vuelve transparente».

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Pero llevar una nube atómica a este estado es muy difícil. No solo necesita temperaturas increíblemente bajas, sino que también requiere que los átomos se expriman para registrar densidades. Era una tarea delicada, por lo que después de atrapar su gas dentro de una trampa atómica, los investigadores lo dispararon con un láser.

En este caso, los investigadores sintonizaron los fotones en el rayo láser para que chocaran solo con los átomos que se movían en la dirección opuesta a ellos, haciendo que los átomos se ralentizaran y, por lo tanto, se enfriaran. Los investigadores congelaron su nube de litio a 20 microkelvins, que está justo por encima del cero absoluto. Luego, utilizaron un segundo láser fuertemente enfocado para exprimir los átomos a una densidad récord de aproximadamente 1 cuatrillón (1 seguido de 15 ceros) de átomos por centímetro cúbico.

Luego, para ver cuán ocultos se habían vuelto sus átomos sobreenfriados, los físicos iluminaron un tercer y último rayo láser, cuidadosamente calibrado para no alterar la temperatura o densidad del gas, en sus átomos, utilizando una cámara hipersensible para contar el número de fotones dispersos. . Como predijo su teoría, sus átomos enfriados y comprimidos dispersaron un 38% menos de luz que los que estaban a temperatura ambiente, lo que los hizo significativamente más tenues.

Otros dos equipos independientes también han enfriado otros dos gases, a saber, potasio y estroncio, para mostrar también el efecto. En el experimento de estroncio, los investigadores Pauli bloquearon los átomos excitados para mantenerlos en un estado excitado durante más tiempo. Todos Tres documentos que demuestran el bloqueo de Pauli se publicaron el 18 de noviembre en la revista Science.

Ahora que los investigadores finalmente han demostrado el efecto de bloqueo de Pauli, eventualmente podrían usarlo para desarrollar materiales que supriman la luz. Esto sería especialmente útil para mejorar la eficiencia de las computadoras cuánticas, que actualmente se ven obstaculizadas por la decoherencia cuántica: la pérdida de información cuántica (transportada por la luz) al entorno de una computadora.

«Siempre que controlamos el mundo cuántico, como en las computadoras cuánticas, la dispersión de la luz es un problema y significa que la información se está filtrando fuera de su computadora cuántica», dijo Ketterle. «Esta es una forma de suprimir la dispersión de la luz y estamos contribuyendo al tema general del control del mundo atómico».

Publicado originalmente en Live Science.