Los físicos traen un efecto que alguna vez fue teórico de la materia cuántica a la realidad observable

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Los físicos de la UC Santa Bárbara se han convertido en los primeros en observar experimentalmente un comportamiento peculiar del mundo cuántico: un efecto de “bumerán cuántico” que ocurre cuando las partículas en un sistema desordenado son expulsadas de sus ubicaciones. En lugar de aterrizar en otro lugar como cabría esperar, dan la vuelta y regresan a donde comenzaron y se detienen allí.

“Es realmente un efecto fundamentalmente mecánico cuántico”, dijo el físico atómico David Weld, cuyo laboratorio produjo el efecto y lo documentó en un artículo publicado en Physical Review X. “No hay una explicación clásica para este fenómeno”.

El efecto boomerang tiene sus raíces en un fenómeno que el físico Philip Anderson predijo hace aproximadamente 60 años, un comportamiento inducido por un desorden llamado localización de Anderson que inhibe el transporte de electrones. El desorden, según el autor principal del artículo, Roshan Sajjad, puede ser el resultado de imperfecciones en la red atómica de un material, ya sean impurezas, defectos, desalineaciones u otras perturbaciones.

“Este tipo de desorden evitará que básicamente se dispersen en cualquier lugar”, dijo Sajjad. Como resultado, los electrones se localizan en lugar de deslizarse a lo largo de la red, convirtiendo lo que de otro modo sería un material conductor en un aislante. A partir de esta condición cuántica bastante pegajosa, se predijo hace unos años que surgiría el efecto boomerang cuántico.

Lanzar electrones desordenados lejos de su posición localizada y seguirlos para observar su comportamiento es extremadamente difícil, si no imposible actualmente, pero Weld Lab tenía algunos trucos bajo la manga. Utilizando un gas de 100.000 átomos de litio ultrafríos suspendidos en una onda estacionaria de luz y “pateándolos”, emulando el llamado rotor cuántico pateado (“similar a un péndulo periódicamente pateado”, dijeron tanto Weld como Sajjad), los investigadores pudieron crear el entramado y el desorden, y observar el lanzamiento y retorno del boomerang. Trabajaron en el espacio de momento, un método que evade algunas dificultades experimentales sin cambiar la física subyacente del efecto boomerang.

“En el espacio de posición normal, si está buscando el efecto boomerang, le daría a su electrón una velocidad finita y luego buscaría si regresó al mismo lugar”, explicó Sajjad. “Debido a que estamos en el espacio de impulso, comenzamos con un sistema que tiene un impulso promedio cero, y buscamos alguna salida seguida de un regreso al impulso promedio cero”.

Usando su rotor pateado cuánticamente, impulsaron la red unas pocas docenas de veces, notando un cambio inicial en el impulso promedio. Sin embargo, con el tiempo y a pesar de las repetidas patadas, el impulso promedio volvió a cero.

“Es simplemente un comportamiento fundamentalmente diferente”, dijo Weld. En un sistema clásico, explicó, un rotor pateado de esta manera respondería absorbiendo constantemente energía de las patadas. “Toma una versión cuántica de lo mismo, y lo que ves es que comienza a ganar energía en períodos cortos, pero en algún momento simplemente se detiene y nunca absorbe más energía. Se convierte en lo que se llama un estado localizado dinámicamente”.

Este comportamiento, dijo, se debe a la naturaleza ondulatoria de los sistemas cuánticos.

“Ese trozo de material que estás empujando no es solo una partícula, sino también una onda, y ese es un concepto central de la mecánica cuántica”, explicó Weld. “Debido a esa naturaleza ondulatoria, está sujeta a interferencias, y esa interferencia en este sistema resulta estabilizar un retorno y una permanencia en el origen”. En su experimento, los investigadores demostraron que las patadas periódicas que exhiben simetría de inversión en el tiempo producirían el efecto boomerang, pero las patadas cronometradas al azar destruirían tanto la simetría como, como resultado, el efecto boomerang.

Lo siguiente para Weld Lab: si los efectos de boomerang individuales son geniales, ¿cuánto más divertido sería tener varios efectos de boomerang interactuando?

“Hay muchas teorías y preguntas sobre lo que debería suceder: ¿las interacciones destruirían el boomerang? ¿Hay efectos interesantes de muchos cuerpos?” Dijo Sajjad. “La otra cosa emocionante es que podemos usar el sistema para estudiar el boomerang en dimensiones superiores”.

La investigación sobre este proyecto también fue realizada por Jeremy L. Tanlimco, Hector Mas, Eber Nolasco-Martinez y Ethan Q. Simmons en UCSB; Tommaso Macrì en la Universidade Federal do Rio Grande do Norte y Patrizia Vignolo en la Université Côte d’Azur.

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