Un equipo del MIT congela los átomos en pleno movimiento en un sorprendente experimento con microscopio cuántico -.

cuando hablamos de átomos, generalmente pensamos en esferas invisibles que componen todo a nuestro alrededor. Pero, ¿cómo se comportan realmente cuando nadie los observa? Durante décadas, la física cuántica ha tenido que describir sus movimientos de modelos matemáticos y promedios estadísticos, sin poder ver lo que hacen en tiempo real. Esta limitación ha cambiado con un experimento reciente realizado por un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), que ha logrado algo inédito: fotografiar átomos individuales mientras interactúa libremente en el espacio.

Este trabajo, publicado en la revista Cartas de revisión físicano solo representa un hito técnico, sino que también ofrece Una ventana directa al mundo cuánticopermitiendo ver fenómenos que hasta ahora existían en papel. A través de una técnica avanzada de microscopía atómica, los científicos del MIT han podido observar cómo los átomos bosónicos tienden a agruparse y cómo las fermiones, por el contrario, se combinan a una distancia corta. Es la primera vez que estas correlaciones cuánticas se visualizan con resolución atómica en un entorno continuo.

Microscopía cuántica: detenga el tiempo para ver el invisible

Uno de los principales desafíos al estudiar átomos es que Nunca son todavía. Su movimiento aleatorio y su comportamiento gobernado por la mecánica cuántica hacen que sea imposible saber dónde están y cómo se mueven al mismo tiempo. Para resolver este problema, el equipo del MIT desarrolló una técnica que les permite congelar la posición de los átomos durante una segunda fracciónJusto antes de capturar una imagen de alta resolución.

El procedimiento es dejar que una nube de átomos interactúe libremente en una trampa óptica formada por láseres. En el momento exacto del registro, se activa una cuadrícula ligera, conocida como enjena de fijación– que inmoviliza los átomos en sus posiciones. Luego, un segundo láser los ilumina brevemente y captura su fluorescencia a través de un sistema de enfriamiento por bandas laterales de Raman. Esta combinación le permite obtener imágenes de átomos individuales sin perturbar significativamente su configuración original.

Como indican los autores en el artículo, “Demostramos la detección con la resolución atómica de los bosones cuánticos itinerantes ²³N y ⁶li fermiones, lo que permite la medición directa in situ de correlaciones entre partículas”.

Bosones: agrupación cuántica visible por primera vez

En su primera aplicación, la técnica se utilizó para estudiar Una nube de átomos de sodioque son bosones. Bosones, a diferencia de otros tipos de partículas, Tienden a ocupar el mismo estado cuántico. A temperaturas extremadamente bajas, este comportamiento da como resultado un fenómeno conocido como Condensado de Bose-Einsteindonde todos los átomos actúan como una sola entidad cuántica.

Gracias a la nueva microscopía, podría observarse claramente cómo se agrupan los bosones con una mayor probabilidad de estar cerca el uno del otro. Este efecto, conocido como “Agrupando”se había predicho desde la época de Louis de Broglie, pero nunca se había visto directamente en tiempo real y en el espacio real. Según los autores, “Revelamos la condensación de Bose-Einstein con una resolución de átomo único”Un logro que marca una diferencia clave con respecto a los métodos anteriores de visualización por absorción.

Además, investigadores Midieron el aumento en las correlaciones de segundo orden G (2)que cuantifican la probabilidad de encontrar pares de partículas juntos, y que en el caso de los bosones muestran una clara tendencia a la agrupación.

Fermiones: la huella del principio de exclusión

El comportamiento de los fermiones, como los átomos de litio 6 utilizados en el experimento, es muy diferente. Estas partículas Obedecen el principio de exclusión de PauliLo que significa que no pueden compartir el mismo estado cuántico si tienen el mismo giro. En la práctica, esto hace Tienden a alejarse del otroun fenómeno conocido como “Fermi Hole” o Fermi hueco.

En el experimento MIT, el equipo utilizó una mezcla equilibrada de dos estados de espín de litio-6. En este contexto, observaron no solo el efecto de la repulsión entre partículas de igual giro, sino también La formación de pares entre espinas opuestas fermiones. Esta interacción es esencial para fenómenos como superconductividady hasta ahora había sido inferido indirectamente por técnicas espectroscópicas. Ahora, por primera vez, se podría ver directamente. “Observamos pares de fermiones no locales en la cruz BEC-BCS”, Indica el artículo.

La técnica también se permite medir los parámetros clave de estos pares: el tamaño del par, el espacio de emparejamiento (brecha de emparejamiento) y contacto de rango corto (contacto de corto alcance), Todos esenciales para comprender la física de los sistemas fuertemente correlacionados.

El continuo cuántico sin red: una diferencia clave

La mayoría de los experimentos anteriores sobre gases cuánticos se realizaron en estructuras reticulares, similar a una red de trampas ópticas regulares. Este diseño facilitó la captura de átomos, pero también limitó su comportamiento natural. La gran novedad del estudio actual es que los átomos interactúan en el “continuo”es decir, Sin un patrón de confinamiento previoque refleja mejor su estado cuántico real.

Los autores explican: “A diferencia de los trabajos anteriores con gases atrapados en una red, aquí realizamos microscopía de gases cuánticos en el continuo”. Esta libertad adicional nos permite observar sistemas más complejos, como los que aparecen en la materia condensada o en las fases topológicas, con fidelidad sin precedentes.

Además de permitir el estudio directo de las correlaciones entre las partículas, esta técnica también abre la puerta para medir las propiedades termodinámicas como densidad, compresibilidad y presiónTodo con resolución atómica.

Hacia un mapa detallado del mundo cuántico

Uno de los aspectos más poderosos del experimento es que La técnica se puede aplicar a otros sistemas. Los investigadores destacan su potencial para estudiar fases más exóticas, como los gases de fermiones con desequilibrio giratorio, mezclas de bosones y fermiones, gases dipolares o incluso sistemas con características topológicas y superfluas.

Este tipo de microscopía podría convertirse en una herramienta esencial para la llamada. Simulación cuánticaUna línea de investigación que busca reproducir en el laboratorio el comportamiento de los materiales complejos a través de átomos fríos. En lugar de construir una teoría desde cero, el sistema cuántico se construye y observa directamente.

Además, los resultados del MIT coinciden con los de otros equipos, como los liderados por Wolfgang Ketterle en el propio MIT y Tarik Yefsah en la École Normale Supérieure de París, que confirma la robustez y la reproducibilidad de los datos obtenidos. En este sentido, la comunidad científica ahora tiene Una nueva herramienta para estudiar materia en su estado más fundamental.