Un escenario ideal para explorar nuevas fases de la materia

En el mundo microscópico, tal como se encuentra a nivel atómico, las leyes familiares de la física clásica newtoniana ceden el paso a las leyes de la mecánica cuántica. Aquí, las partículas tienen propiedades de onda, llevando a fenómenos como la interferencia.

Aunque los fenómenos cuánticos no afecten nuestra experiencia diaria, bajo circunstancias particulares, una gran cantidad de partículas cuánticas pueden unirse y `condensar' en un único estado cuántico, dando lugar a efectos macroscópicos perceptibles. Este fenómeno se puede producir cuando la temperatura es tan baja que las funciones de ondas de partículas individuales comienzan a solaparse, interferir y eventualmente comportarse idénticamente de forma conjunta.

El mecanismo de la condensación depende fuertemente del tipo de partículas cuánticas implicadas. Los `bosones' son gregarios y, a bajas temperaturas, tienen la tendencia a ocupar el mismo estado de baja energía, un fenómeno conocido como condensación de Bose-Einstein (BEC). En cambio, los `fermiones' no pueden ocupar el mismo estado cuántico. Este comportamiento de soltero está en la base de muchas de las propiedades de la materia, tales como la existencia de la tabla periódica de los elementos.

Desde la primera realización de un BEC en 1995 (premio Nobel de física 2001), la investigación en este campo ha progresado a una velocidad asombrosa. La posibilidad de controlar casi todos los parámetros experimentales con un alto nivel de precisión ha seleccionado el campo de gases atómicos ultra-fríos como el escenario ideal para explorar los fenómenos fundamentales cuánticos que de otra manera serian difíciles de estudiar en materiales verdaderos. Notablemente, las interacciones entre los gases atómicos pueden ser controladas y los investigadores experimentales han podido también confinar los átomos fríos en redes de potenciales ópticos, que son cristales artificiales de luz.

En el trabajo publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, la Dra. F.M. Marchetti, del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid, y sus colegas han demostrado que las mezclas ultra-frías de bosones y fermiones cargadas en redes ópticas es un escenario ideal para explorar nuevos fenómenos cuánticos. Por ejemplo, variando la interacción entre los atomos, atomos bosonicos (formantes del estado BEC) se pueden ligar a atomos fermionicos y formar moléculas fermiónicas, las cuales ya no pueden condensar más. Como consecuencia, el sistema cruza una ‘transición cuántica de fase’ desde un BEC a una fase de gas normal de Fermi.

Sin embargo, la dificultad para realizar tales nuevos fenómenos ha sido hasta ahora la inestabilidad al colapso de la mezcla. Para interacciones atractivas, el sistema puede bajar su energía aglomerándose, un proceso que resulta en calentamiento y pérdida del gas.

Marchetti y sus colegas han demostrado por primera vez que todos estos obstáculos se pueden evitar atrapando la mezcla en una matriz bidimensional de tubos unidimensionales generados por una red óptica anisotrópica. Estos investigadores han demostrado que, contrariamente a las expectativas, el sistema es estable al colapso, permitiendo la realización de transiciones de fases cuánticas inducidas por la ligazón de bosones y fermiones en moléculas fermiónicas, y la realización de fases superfluidas exóticas de tales moléculas fermiónicas.