Si embotella un gas e intenta obtener imágenes de sus átomos utilizando los microscopios más potentes de la actualidad, verá poco más que un borrón oscuro. Los átomos giran a la velocidad del rayo y son difíciles de precisar a temperatura ambiente.

Sin embargo, si estos átomos se sumergen a temperaturas ultra frías, se ralentizan y los científicos pueden comenzar a estudiar cómo pueden formar estados exóticos de la materia, como superfluidos, superconductores e imanes cuánticos.

Los físicos del MIT ahora han enfriado un gas de átomos de potasio a varios nanokelvins, solo un pelo por encima del cero absoluto, y han atrapado los átomos dentro de una hoja bidimensional de una red óptica creada por láseres entrecruzados. Usando un microscopio de alta resolución, los investigadores tomaron imágenes de los átomos enfriados que residen en la red.

Al observar las correlaciones entre las posiciones de los átomos en cientos de tales imágenes, el equipo observó que los átomos individuales interactuaban de formas bastante peculiares, según su posición en la red. Algunos átomos exhibieron un comportamiento "antisocial" y se mantuvieron alejados entre sí, mientras que otros se agruparon con orientaciones magnéticas alternas. Otros parecían montarse unos sobre otros, creando pares de átomos junto a espacios vacíos o agujeros.

El equipo cree que estas correlaciones espaciales pueden arrojar luz sobre los orígenes del comportamiento superconductor. Los superconductores son materiales notables en los que los electrones se emparejan y viajan sin fricción, lo que significa que no se pierde energía en el viaje. Si los superconductores pueden diseñarse para existir a temperatura ambiente, podrían iniciar una era completamente nueva e increíblemente eficiente para cualquier cosa que dependa de la energía eléctrica.

Martin Zwierlein, profesor de física e investigador principal en el Centro NSF de Átomos Ultrafríos del MIT y en su Laboratorio de Investigación de Electrónica, dice que los resultados y la configuración experimental de su equipo pueden ayudar a los científicos a identificar las condiciones ideales para inducir la superconductividad.

“Aprendiendo de este modelo atómico, podemos entender lo que realmente está sucediendo en estos superconductores y lo que se debe hacer para hacer superconductores de mayor temperatura, acercándose con suerte a la temperatura ambiente”, dice Zwierlein.

Los resultados de Zwierlein y sus colegas aparecen en la edición del 16 de septiembre de la revista. Ciencia:. Los coautores incluyen experimentales del MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms, el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y dos grupos teóricos de la Universidad Estatal de San José, la Universidad Estatal de Ohio, la Universidad de Río de Janeiro y la Universidad Penn State.

"Los átomos como sustitutos de los electrones"

Hoy en día, es imposible modelar el comportamiento de los superconductores de alta temperatura, incluso usando las computadoras más poderosas del mundo, ya que las interacciones entre los electrones son muy fuertes. Zwierlein y su equipo buscaron, en cambio, diseñar un "simulador cuántico", utilizando átomos en un gas como sustitutos de los electrones en un sólido superconductor.

El grupo basó su fundamento en varias líneas históricas de razonamiento: primero, en 1925, el físico austriaco Wolfgang Pauli formuló lo que ahora se llama el principio de exclusión de Pauli, que establece que dos electrones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, como el espín o la posición, al mismo tiempo. Pauli también postuló que los electrones mantienen una cierta esfera del espacio personal, conocida como el "agujero de Pauli".

Su teoría resultó explicar la tabla periódica de elementos: diferentes configuraciones de electrones dan lugar a elementos específicos, lo que hace que los átomos de carbono, por ejemplo, sean distintos de los átomos de hidrógeno. 

El físico italiano Enrico Fermi pronto se dio cuenta de que este mismo principio podría aplicarse no solo a los electrones, sino también a los átomos en un gas: la medida en que los átomos les gusta mantenerse para sí mismos puede definir las propiedades, como la compresibilidad, de un gas.

"También se dio cuenta de que estos gases a bajas temperaturas se comportarían de formas peculiares", dice Zwierlein.

El físico británico John Hubbard incorporó el principio de Pauli en una teoría que ahora se conoce como el modelo de Fermi-Hubbard, que es el modelo más simple de átomos que interactúan, saltando a través de una red. Hoy en día, se cree que el modelo explica la base de la superconductividad. Y aunque los teóricos han podido utilizar el modelo para calcular el comportamiento de los electrones superconductores, solo han podido hacerlo en situaciones en las que los electrones interactúan débilmente entre sí.   

“Esa es una gran razón por la que no entendemos los superconductores de alta temperatura, donde los electrones interactúan muy fuertemente”, dice Zwierlein. “No existe una computadora clásica en el mundo que pueda calcular lo que sucederá a temperaturas muy bajas con [los electrones] en interacción. Sus correlaciones espaciales tampoco se han observado nunca in situ, porque nadie tiene un microscopio para observar cada electrón ".

Creando espacio personal

El equipo de Zwierlein buscó diseñar un experimento para realizar el modelo de Fermi-Hubbard con átomos, con la esperanza de ver un comportamiento de átomos ultrafríos análogo al de los electrones en superconductores de alta temperatura.

El grupo había diseñado previamente un protocolo experimental para enfriar primero un gas de átomos hasta casi el cero absoluto y luego atraparlos en un plano bidimensional de una red generada por láser. A temperaturas tan ultra frías, los átomos se ralentizaron lo suficiente como para que los investigadores los capturaran en imágenes por primera vez, mientras interactuaban a través de la red.

En los bordes de la red, donde el gas estaba más diluido, los investigadores observaron que los átomos formaban agujeros de Pauli, manteniendo una cierta cantidad de espacio personal dentro de la red.

“Se hacen un pequeño espacio donde es muy poco probable que encuentren un segundo tipo dentro de ese espacio”, dice Zwierlein.

Donde el gas estaba más comprimido, el equipo observó algo inesperado: los átomos estaban más dispuestos a tener vecinos cercanos y, de hecho, estaban muy agrupados. Estos átomos exhibieron orientaciones magnéticas alternas.

"Estas son correlaciones hermosas, antiferromagnéticas, con un patrón de tablero de ajedrez: arriba, abajo, arriba, abajo", describe Zwierlein.

Al mismo tiempo, se descubrió que estos átomos a menudo saltan uno encima del otro, creando un par de átomos junto a un cuadrado de celosía vacío. Esto, dice Zwierlein, recuerda un mecanismo propuesto para la superconductividad de alta temperatura, en el que los pares de electrones que resuenan entre sitios de celosía adyacentes pueden atravesar el material sin fricción si hay la cantidad justa de espacio vacío para dejarlos pasar.

En última instancia, dice que los experimentos del equipo con gases pueden ayudar a los científicos a identificar las condiciones ideales para que surja la superconductividad en los sólidos.

Zwierlein explica: “Para nosotros, estos efectos ocurren en nanokelvin porque estamos trabajando con gases atómicos diluidos. Si tiene un trozo de materia densa, estos mismos efectos pueden ocurrir a temperatura ambiente ".

Actualmente, el equipo ha podido alcanzar temperaturas ultrafrías en gases equivalentes a cientos de kelvin en sólidos. Para inducir la superconductividad, Zwierlein dice que el grupo tendrá que enfriar sus gases en otro factor de cinco más o menos.

“No hemos jugado todos nuestros trucos todavía, así que creemos que podemos enfriarnos más”, dice.   

Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación David y Lucile Packard.