Un descubrimiento cuántico desafía las reglas del calentamiento

En la experiencia cotidiana, aplicar fuerza repetidamente a un objeto casi siempre provoca un aumento de temperatura. Por ejemplo, frotar las manos genera calor, y golpear metal lo calienta. Sin embargo, un reciente experimento realizado por investigadores de la Universidad de Innsbruck desafió esta intuición clásica al demostrar que un sistema cuántico puede comportarse de manera completamente diferente.

El equipo de Hanns Christoph Nägerl se propuso investigar si un sistema cuántico fuertemente excitado inevitablemente se calienta. Para ello, crearon un fluido cuántico unidimensional compuesto por átomos fuertemente interactuantes, enfriados a solo unos pocos nanokelvin por encima del cero absoluto. Utilizando luz láser, sometieron a los átomos a un potencial de red que se activaba y desactivaba rápidamente, creando un entorno que los "pataba" repetidamente.

Contrario a lo que se esperaba, en lugar de absorber energía de manera continua, los átomos dejaron de hacerlo abruptamente después de un breve periodo inicial. La energía cinética del sistema se estabilizó, y los átomos entraron en un estado conocido como localización dinámica de muchos cuerpos (MBDL). En este estado, el movimiento se bloquea en el espacio de momento, en lugar de dispersarse libremente.

Según Nägerl, "en este estado, la coherencia cuántica y el entrelazamiento de muchos cuerpos impiden que el sistema se termalice y muestre un comportamiento difusivo, incluso bajo una excitación externa sostenida". Esto significa que la distribución de momento se congela, manteniendo la estructura que tiene.

El resultado sorprendió incluso a los propios científicos. Yanliang Guo, autor principal del estudio, admitió que el comportamiento observado contradecía sus predicciones iniciales. "Esperábamos que los átomos comenzaran a moverse descontroladamente. En cambio, se comportaron de manera sorprendentemente ordenada".

El colaborador teórico Lei Ying, de la Universidad de Zhejiang en China, también se mostró sorprendido. "Esto no se ajusta a nuestras expectativas ingenuas. Lo notable es que en un sistema fuertemente excitado e interactuante, la coherencia de muchos cuerpos puede evidentemente detener la absorción de energía. Esto desafía nuestra intuición clásica y revela una estabilidad notable enraizada en la mecánica cuántica".

Para evaluar la robustez de este estado inusual, los investigadores introdujeron aleatoriedad en la secuencia de excitación. El efecto fue inmediato: incluso una pequeña cantidad de desorden fue suficiente para destruir la localización. Una vez que la coherencia se interrumpió, los átomos comenzaron a comportarse de manera más convencional, dispersándose y aumentando rápidamente su energía cinética.

La importancia de este descubrimiento va más allá de la física básica. Prevenir el calentamiento no deseado es uno de los mayores desafíos en el desarrollo de simuladores cuánticos y computadoras cuánticas, que dependen de mantener estados cuánticos delicados que pueden perderse fácilmente a través de la acumulación de energía y la decoherencia.

Guo concluyó que este experimento proporciona una forma precisa y altamente ajustable para explorar cómo los sistemas cuánticos pueden resistir el caos. Al demostrar que el calentamiento puede detenerse por completo bajo las condiciones adecuadas, los hallazgos desafían suposiciones de larga data sobre el comportamiento de la materia cuántica excitada.

El estudio fue publicado en la revista Science y recibió apoyo financiero del Fondo de Ciencia de Austria (FWF), la Agencia de Promoción de la Investigación de Austria (FFG) y la Unión Europea, entre otros.

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