Las ‘burbujas’ de las transiciones de fase cuánticas, captadas por primera vez en una imagen. Universidad Bar-Ilan (Israel)


Las fluctuaciones cuánticas son las burbujas que emiten las transiciones de fase (como cuando un hielo se derrite, pasando el agua de sólida a líquida) en el mundo cuántico. Captarlas en una imagen había sido imposible, pese a que la evidencia indirecta de su presencia aparece en muchas mediciones. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad Bar-Ilan (Israel), han conseguido inmortalizar una fluctuación cuántica, además de extraer nueva información sobre los tamaños, tiempos y distribuciones de los eventos cuánticos, hallazgos que han publicado Nature Physics.

La tecnología cuántica es un campo en crecimiento de la física y la ingeniería que se basa en propiedades de la mecánica cuántica para aplicaciones prácticas avanzadas tales como computación cuántica, sensores, información, comunicación y medicina. Su dominio conducirá a computadoras mucho más potentes, un tratamiento médico no invasivo y mucho más seguro, y hay quien contempla incluso la teletransportación. Un fenómeno que se encuentra en el núcleo de este desarrollo es la transición de fase cuántica.

Las transiciones de fase están presentes en nuestra vida cotidiana. Cuando esto pasa, podemos ver con nuestros propios ojos burbujas de una fase en la otra, por ejemplo, burbujas de aire en agua hirviendo o gotitas de agua en nieve helada. Estas transiciones de fase clásicas, con las que todos estamos familiarizados, tienen una característica común: su fuerza motriz es la temperatura. El hielo se derrite a 0ºC y se evapora a 100ºC. ¿Sería posible calentar agua solo acercándolo a un imán? En nuestro mundo no, pero la física cuántica funciona.

En la comunidad científica crece el interés en un tipo diferente de transiciones de fase: las transiciones de fase cuántica, que ocurren a la temperatura cero absoluta (-273ºC). Estas transiciones no son impulsadas por la temperatura, sino por el cambio de una propiedad física diferente, como la presión mecánica o el campo magnético, y están acompañadas por la presencia de burbujas de una fase en la otra, cuyo término científico es fluctuaciones cuánticas. A diferencia del caso clásico, donde un cambio en la temperatura es responsable de las burbujas, en el caso cuántico estas surgen debido al principio de incertidumbre que es una de las reglas básicas en la física cuántica. Este principio, desarrollado por el físico alemán Werner Heisenberg, afirma que, contrariamente a nuestra intuición, el vacío no está vacío, sino que contiene cambios temporales en la cantidad de energía en un punto en el espacio. Estos cambios conducen a burbujas cuánticas de una fase a una segunda fase incluso a la temperatura de cero absoluto.

Hasta ahora, ha sido imposible obtener imágenes de estas fluctuaciones cuánticas, ya que ocurren a temperaturas muy bajas, y muchas veces involucran fases físicas que no se pueden ver con un microscopio regular. El grupo internacional de científicos del Departamento de Física y el Instituto de Nanotecnología de la universidad israelí, han tenido éxito al imaginar las fluctuaciones cuánticas por primera vez. Para ello, emplearon un microscopio único que puede operar a temperaturas muy bajas para examinar un material que se somete a una transición de fase cuántica. Este microscopio, llamado SQUID de barrido, puede detectar señales magnéticas muy pequeñas y trazar un mapa de su ubicación con una resolución submicrónica. El microscopio utiliza fenómenos cuánticos para convertir señales magnéticas en voltaje y es una herramienta ideal para investigar fenómenos complejos a escala nanométrica.

A temperaturas muy bajas, cercanas a cero, la muestra se empujó hacia la región donde se espera el comportamiento cuántico, mientras que SQUID se utilizó para tomar imágenes. Sorprendentemente, las burbujas cuánticas aparecieron en ubicaciones aleatorias. Aparecían y desaparecían con el tiempo o aparecían esporádicamente en diferentes lugares. Estamos acostumbrados a este comportamiento de las burbujas de aire en agua hirviendo, pero ahora también se pueden ver burbujas similares en la materia cuántica.

Este experimento abre una puerta a investigaciones detalladas de eventos cuánticos. Las imágenes permiten la extracción de cantidades físicas como el tamaño, la dinámica, las distribuciones y las interacciones con otros fenómenos. Los científicos esperan que esta novedosa capacidad para observar las fluctuaciones cuánticas sea una herramienta fundamental para el desarrollo futuro de la tecnología cuántica.

Beatriz de Vera
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma

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