Publicado 15/01/2021 11:16CET

Una versión cuántica para el tornillo de Arquímedes

La técnica de extraer agua con la técnica del tornillo de Arquímedes tiene ahora una aplicación cuántica
La técnica de extraer agua con la técnica del tornillo de Arquímedes tiene ahora una aplicación cuántica - WIKIMEDIA

   MADRID, 15 Ene. (EUROPA PRESS) -

   Físicos de Stanford han desarrollado una versión cuántica del tornillo de Arquímedes: en lugar de agua, lleva grupos frágiles de átomos de gas a estados de energía cada vez más altos sin colapsar.

   Según publica Science, añadiendo un toque magnético a un exótico experimento cuántico, los físicos produjeron un gas cuántico unidimensional ultraestable con estados de "cicatriz" nunca antes vistos, una característica que algún día podría ser útil para asegurar la información cuántica.

   Según cuenta la historia, el matemático griego Arquímedes se encontró con un invento mientras viajaba por el antiguo Egipto que más tarde llevaría su nombre. Era una máquina que constaba de un tornillo alojado dentro de un tubo hueco que atrapaba y extraía agua al girar.

   "Mi expectativa para nuestro sistema era que la estabilidad del gas solo cambiaría un poco", dijo en un comunicado el autor principal del nuevo descubrimiento y profesor de Física Benjamin Lev. "No esperaba ver una estabilización completa y dramática de la misma. Eso estaba más allá de mi más loca concepción".

   En el camino, los investigadores también observaron el desarrollo de estados de cicatrices: trayectorias extremadamente raras de partículas en un sistema cuántico caótico en el que las partículas vuelven sobre sus pasos repetidamente como huellas superpuestas en el bosque. Los estados de cicatriz son de particular interés porque pueden ofrecer un refugio protegido para la información codificada en un sistema cuántico.

   La existencia de estados de cicatriz dentro de un sistema cuántico con muchas partículas que interactúan, conocido como sistema cuántico de muchos cuerpos, se ha confirmado recientemente. El experimento de Stanford es el primer ejemplo del estado de la cicatriz en un gas cuántico de muchos cuerpos y solo el segundo avistamiento del fenómeno en el mundo real.

   Lev se especializa en experimentos que amplían nuestra comprensión de cómo diferentes partes de un sistema cuántico de muchos cuerpos se asientan en la misma temperatura o equilibrio térmico. Esta es un área de investigación emocionante porque resistir esta llamada "termalización" es clave para crear sistemas cuánticos estables que podrían impulsar nuevas tecnologías, como las computadoras cuánticas.

   En este experimento, el equipo exploró lo que sucedería si modificaran un sistema experimental de muchos cuerpos muy inusual, llamado super gas Tonks-Girardeau. Se trata de gases cuánticos unidimensionales muy excitados (átomos en estado gaseoso que están confinados a una sola línea de movimiento) que han sido sintonizados de tal manera que sus átomos desarrollan fuerzas de atracción extremadamente fuertes entre sí.

   Lo bueno de ellos es que, incluso bajo fuerzas extremas, teóricamente no deberían colapsar en una masa en forma de bola (como lo harán los gases atractivos normales). Sin embargo, en la práctica, colapsan debido a imperfecciones experimentales. Lev, que tiene una predilección por el disprosio, elemento fuertemente magnético, se preguntó qué pasaría si él y sus estudiantes crearan un gas súper Tonks-Girardeau con átomos de disprosio y alteraran sus orientaciones magnéticas "así". ¿Quizás resistirían el colapso un poco mejor que los gases no magnéticos?

   "Las interacciones magnéticas que pudimos agregar eran muy débiles en comparación con las interacciones atractivas que ya estaban presentes en el gas. Por lo tanto, nuestras expectativas eran que no cambiaría mucho. Pensamos que aún colapsaría, pero no tan fácilmente", dijo Lev, quien también es miembro de Stanford Ginzton Lab y Q-FARM. "Vaya, nos equivocamos".

   Su variación de disprosio terminó produciendo un gas súper Tonks-Girardeau que se mantuvo estable sin importar qué. Los investigadores cambiaron el gas atómico entre las condiciones atractivas y repulsivas, elevando o "atornillando" el sistema a estados de energía cada vez más altos, pero sin que los átomos colapsaran.

   Si bien no hay aplicaciones prácticas inmediatas de su descubrimiento, el laboratorio de Lev y sus colegas está desarrollando la ciencia necesaria para impulsar esa revolución de la tecnología cuántica que muchos predicen que se avecina. Por ahora, dijo Lev, la física de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera de equilibrio sigue siendo constantemente sorprendente.