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Investigadores del Instituto Max Planck han conseguido obtener imágenes de fluctuaciones cuánticas cerca del cero absoluto de temperatura.

Hay sistemas físicos que fluctúan continuamente de alguna manera. Así por ejemplo, las moléculas de un gas se mueven erráticamente, los dipolos magnéticos de una material también. En general estas fluctuaciones están relacionadas con la temperatura. A mayor temperatura mayor agitación habrá. Si vamos bajando la temperatura de un sistema estas agitaciones, estas fluctuaciones, van disminuyendo. En un sistema clásico uno esperaría que cuando se llegase al cero absoluto de temperatura estas fluctuaciones desaparecerían. Pero la realidad microscópica es cuántica, no clásica. Hay fluctuaciones de origen cuántico que no desaparecen en el cero absoluto.
Hasta ahora solamente la temperatura se opone a que los bits del disco duro de nuestro computador cambien de 1 a 0 o viceversa, pero los bits son cada vez más pequeños y llegará un día en el que las fluctuaciones cuánticas sean importantes. Entonces, aunque refrigeremos mucho el sistema y hagamos desaparecer las fluctuaciones térmicas, la información almacenada de esa manera simplemente podría desaparecer bajo la acción de las fluctuaciones cuánticas.
Las fluctuaciones cuánticas no son, por tanto, una simple curiosidad y tienen un efecto sobre muchos sistemas. En este caso vamos a ver el papel que juegan en un tipo de transiciones de fase cuánticas.
Ahora investigadores del Instituto Max Planck dirigidos por Stefan Kuhr han conseguido obtener imágenes de fluctuaciones cuánticas cerca del cero absoluto de temperatura (a unos 273 grados centígrados bajo cero).
Obviamente algo así no puede ser observado con un microscopio convencional pues los átomos o moléculas son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible. Pero gracias a una serie de trucos estos investigadores pueden saber su ubicación y reconstruir una imagen del sistema.
Tampoco se ha usado un material convencional, sino unos átomos de rubio ultrafríos atrapados en una red óptica que forman una especie “cristal gaseoso unidimensional”.
Han podido obtener imágenes de correlaciones entre pares hueco-partícula de este gas ultrafrío, algo que les ha permitido estudiar el orden oculto de este sistema y caracterizar las diferentes fases de este gas cuántico. Estas medidas abren nuevas vías a la hora de caracterizar fases cuánticas novedosas de la materia.
Al conjunto de átomos ultrafríos de rubidio se les somete a unos haces alineados de luz especialmente diseñados para imponer restricciones en dichos átomos y atraparlos según un patrón o formación determinado hecho con regiones de luz brillantes y oscuras. Digamos que la luz crea una «cárcel» para los átomos con celdas equiespaciadas.
Los átomos se mueven el la red luminosa de manera similar a como lo hacen los electrones en la red cristalina de un sólido. Según se puedan mover de una manera u otra, los electrones proporcionan las propiedades eléctricas del sólido, como su conductividad. La ventaja de un sistema de átomos ultrafríos como el descrito es que está sujeto a manipulación e incluso podemos usar un determinado número de dimensiones espaciales.
Los gases cuánticos unidimensionales pueden comportarse a baja temperatura como un superfluidos o como un “aislantes”.
En este caso en particular, la altura del potencial juega un papel importante, que es el de determinar si un átomo está fijo en un lugar específico de la red o si se puede mover al sitio de al lado. A grandes profundidades de la red (hablamos en este caso de potenciales no de distancias), cada sitio está ocupado por exactamente un átomo. A este sistema altamente ordenado se le denomina aislante de Mott en honor al premio Nobel Neville Mott. Cuando está profundidad del potencial disminuye ligeramente, los átomos que tiene suficiente energía se pueden mover al sitio de al lado gracias al efecto túnel cuántico. De este modo se forman pares de huecos (sitios de la red vacíos de átomos) y sitios ocupados doblemente. Esto forma pares hueco-partículas. Lo interesante es que como es un sistema cuántico, este efecto se puede dar a temperatura cero gracias a las fluctuaciones cuánticas, cuando según la Física Clásica todo movimiento debería detenerse. La posición de los pares hueco-partícula correlacionados en el cristal está completamente indeterminada y se fija sólo bajo el proceso de medida.
En experimentos recientes estos investigadores ya habían desarrollado el método que les permitía visualizar la posición de cada átomo en la red de luz. Los átomos son enfriados gracias a haces láser y los fotones de fluorescencia que emiten en el proceso son usados para localizarlos gracias a un microscopio de alta resolución.

Los huecos se muestran con esta técnica como lugares oscuros y también los doblemente ocupados, pues las dos partículas de esa ubicación se interfieren entre sí y se echan mutuamente de la red. Por tanto, con está técnica, los pares hueco-partícula aparecen como dos puntos oscuros uno al lado del otro.
Manuel Endres, uno de los estudiantes implicados en el proyecto, se muestra entusiasta con el experimento y dice que con esta técnica se pueden observar directamente por primera vez este fenómeno cuántico fundamental.
Estos físicos miden el número de pares hueco-partícula a través de una función de correlación. Si se aumenta la energía cinética cada vez más partículas sufren efecto túnel a una celda vecina y esa función de correlación aumenta. Sin embargo, cuando el número de pares hueco-partícula es muy grande empieza a ser difícil identificarlos sin ambigüedad y la función de correlación toma valores pequeños. Finalmente el estado ordenado de aislante de Mott desaparece completamente y el gas cuántico se transforma en un superfluido. Aquí las fluctuaciones de huecos y partículas se dan de manera independiente. La función de correlación medida en el experimento es reproducida muy bien por los cálculos en el modelo.
Curiosamente la misma investigación realizada en gases cuánticos bidimensionales claramente mostró que las fluctuaciones cuánticas no eran tan importantes como lo son en sistemas unidimensionales.
Los investigadores extendieron además el análisis a las correlaciones a varios sitios a lo largo de una fila. Estas correlaciones no locales contienen información importante acerca del sistema de muchos cuerpos subyacente y puede ser usado como parámetro de orden para caracterizar las distintas fases cuánticas del sistema. El concepto de parámetro de orden es fundamental en el estudio de transiciones de fase. En el experimento descrito los parámetros de orden no locales han sido medidos por primera vez.
En el futuro, este grupo planea usar estas medidas para detectar fases cuánticas topológicas. Éstas pueden ser útiles para la construcción de computadores cuánticos robustos y podrían ayudar a comprender la temperatura a alta temperatura.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Artículo en ArXiv.