Científicos crean un conductor perfecto a partir de átomos ultracálidos

En la física cotidiana, el transporte se refiere a cómo los objetos se mueven de un lugar a otro. La carga eléctrica fluye a través de cables, el calor se disipa en metales y el agua circula por tuberías. En cada uno de estos casos, los científicos pueden medir la facilidad con la que la carga, la energía o la masa se desplazan a través de un material. Bajo condiciones normales, ese movimiento se ralentiza por la fricción y las colisiones, creando resistencia que debilita o eventualmente detiene el flujo.

Sin embargo, investigadores de la Universidad Técnica de Viena han demostrado una rara excepción. En un experimento cuidadosamente diseñado, observaron un sistema físico en el que el transporte no se degrada en absoluto.

Un gas ultracálido con flujo perfecto

El equipo confinó miles de átomos de rubidio para que solo pudieran moverse en línea recta, utilizando una combinación de campos magnéticos y ópticos. Este arreglo produjo un gas cuántico ultracálido en el que tanto la energía como la masa se mueven con completa eficiencia. Según los resultados publicados en la revista Science, el flujo se mantiene constante e inalterado incluso después de innumerables colisiones atómicas. Este hallazgo revela una forma de transporte que se comporta de manera muy diferente a lo que se observa en la materia ordinaria.

Dos tipos fundamentales de transporte

"En principio, existen dos tipos muy diferentes de fenómenos de transporte", explicó Frederik Møller del Atominstitut de la Universidad Técnica de Viena. "Hablamos de transporte balístico cuando las partículas se mueven libremente y recorren el doble de distancia en el doble de tiempo, como una bala que viaja en línea recta".

El segundo tipo se conoce como transporte difusivo, que ocurre cuando el movimiento está dominado por colisiones aleatorias. La conducción de calor es un ejemplo clásico. Cuando partículas más cálidas interactúan con otras más frías, la energía y el momento se comparten gradualmente hasta que las temperaturas se equilibran en todo el sistema.

"Este tipo de transporte no es lineal", agregó Møller. "Para recorrer el doble de distancia, normalmente se necesita cuatro veces más tiempo".

Por qué la difusión se descompone en este experimento

El comportamiento observado en el experimento de la Universidad Técnica de Viena no siguió ninguno de los patrones familiares. En lugar de dispersarse a través de la difusión, el flujo atómico se mantuvo claramente definido. "Al estudiar la corriente atómica, pudimos ver que la difusión está prácticamente completamente suprimida", afirmó Møller. "El gas se comporta como un conductor perfecto; a pesar de que ocurren innumerables colisiones entre los átomos, cantidades como la masa y la energía fluyen libremente, sin disiparse en el sistema".

Una versión cuántica del péndulo de Newton

Los investigadores explicaron este efecto utilizando una analogía con un péndulo de Newton, el dispositivo de escritorio con una fila de bolas de metal suspendidas. Cuando se libera una bola, su momento pasa directamente a través de la fila y hace que la bola en el extremo se mueva hacia afuera, mientras que las demás apenas se mueven.

"Los átomos en nuestro sistema solo pueden chocar en una única dirección", explicó Møller. "Sus momentos no se dispersan, sino que simplemente se intercambian entre los socios de colisión. El momento de cada átomo se conserva; solo puede ser transmitido, nunca perdido".

Por qué el gas nunca alcanza el equilibrio térmico

Al igual que en un péndulo de Newton, el movimiento en este sistema atómico continúa sin desvanecerse. La energía y el momento viajan a través del gas indefinidamente en lugar de dispersarse como calor, que es lo que ocurre en la mayoría de los materiales.

"Estos resultados muestran por qué tal nube atómica no se termaliza; por qué no distribuye su energía de acuerdo con las leyes habituales de la termodinámica", afirmó Møller. "Estudiar el transporte bajo tales condiciones perfectamente controladas podría abrir nuevas formas de entender cómo surge o desaparece la resistencia a nivel cuántico".