En la experiencia cotidiana, la aplicación repetida de fuerza casi siempre produce calentamiento. Frotarse las manos calienta la piel. Golpear el metal con un martillo lo calienta al tacto. Incluso sin una formación formal en física, la gente aprende rápidamente una regla básica: cuando sigues impulsando un sistema agitándolo, presionándolo o golpeándolo, su temperatura aumenta.
Los físicos esperan el mismo comportamiento a escalas mucho más pequeñas. En los sistemas cuánticos formados por muchas partículas que interactúan, normalmente se supone que la excitación continua provoca una absorción constante de energía. A medida que se acumula energía, el sistema debería calentarse. Pero un experimento reciente sugiere que esta intuición no siempre se aplica a nivel cuántico.
Investigadores del grupo de Hanns Christoph Nägerl del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck se propusieron comprobar si un sistema cuántico fuertemente impulsado debe inevitablemente calentarse. Su respuesta fue inesperada.
Un gas cuántico que deja de absorber energía
El equipo creó un fluido cuántico unidimensional hecho de átomos que interactúan fuertemente y enfriados a sólo unos pocos nanokelvin por encima del cero absoluto. Utilizando luz láser, sometieron los átomos a un potencial reticular que se encendía y apagaba rápida y repetidamente. Esta configuración creó un entorno pulsado regularmente que efectivamente expulsaba a los átomos una y otra vez.
En estas condiciones, los átomos deberían haber absorbido energía continuamente, de forma similar a cómo se genera movimiento en un trampolín cuando alguien sigue saltando. En cambio, los investigadores vieron un cambio sorprendente. Después de un breve período inicial, la expansión del impulso de los átomos se detuvo. La energía cinética del sistema dejó de aumentar y se estabilizó.
Aunque los átomos seguían siendo impulsados y continuaban interactuando fuertemente entre sí, ya no absorbían energía. El sistema había entrado en un estado conocido como localización dinámica de muchos cuerpos (MBDL). En este estado, el movimiento queda atrapado en el espacio de impulso en lugar de propagarse libremente.
«En este estado, la coherencia cuántica y el entrelazamiento de muchos cuerpos impiden que el sistema se termalice y muestre un comportamiento difuso, incluso bajo una conducción externa sostenida», explica Hanns Christoph Nägerl. «La distribución del impulso esencialmente se congela y retiene cualquier estructura que tenga».
Un resultado ordenado que desafió las expectativas
El resultado sorprendió incluso a los científicos involucrados. El autor principal, Yanliang Guo, admitió que el comportamiento iba en contra de lo que habían predicho. «Al principio esperábamos que los átomos comenzaran a volar por todos lados, pero en cambio se comportaron de una manera sorprendentemente ordenada».
Lei Ying, colaboradora teórica de la Universidad de Zhejing en Hangzhou, China, compartió esa reacción. «Esto no es lo que esperábamos ingenuamente. Lo sorprendente es el hecho de que en un sistema fuertemente impulsado e interactuante, la coherencia de muchos cuerpos puede evidentemente detener la absorción de energía. Esto va en contra de nuestra intuición clásica y revela una estabilidad notable basada en la mecánica cuántica».
Ying también señaló que recrear este comportamiento mediante simulaciones informáticas clásicas es un gran desafío. «Por eso necesitamos experimentos. Van de la mano con nuestras simulaciones teóricas».
Por qué es importante la coherencia cuántica
Para ver cuán robusto era realmente este estado inusual, los investigadores alteraron el experimento agregando aleatoriedad a la secuencia de conducción. El efecto fue inmediato. Incluso una pequeña cantidad de desorden fue suficiente para destruir la localización.
Una vez que se rompió la coherencia, los átomos se comportaron de manera más convencional. Su impulso se extendió nuevamente, la energía cinética aumentó rápidamente y el sistema volvió a absorber energía sin límite. «Esta prueba puso de relieve que la coherencia cuántica es crucial para prevenir la termalización en sistemas de muchos cuerpos impulsados por este tipo de sistemas», dice Nägerl.
Implicaciones para las futuras tecnologías cuánticas
El descubrimiento de MBDL tiene implicaciones que van mucho más allá de la física básica. Prevenir el calentamiento no deseado es uno de los mayores desafíos que enfrenta el desarrollo de simuladores y computadoras cuánticos. Estos dispositivos dependen del mantenimiento de estados cuánticos delicados que pueden perderse fácilmente mediante la acumulación de energía y la decoherencia.
«Este experimento proporciona una forma precisa y altamente ajustable para explorar cómo los sistemas cuánticos pueden resistir la atracción del caos», dice Guo. Al demostrar que el calentamiento puede detenerse por completo en las condiciones adecuadas, los hallazgos desafían las suposiciones arraigadas desde hace mucho tiempo sobre cómo se comporta la materia cuántica impulsada.
El estudio abre nuevos caminos para comprender cómo los sistemas cuánticos pueden permanecer estables incluso cuando se alejan del equilibrio.
La investigación ha sido publicada en Ciencia y recibió apoyo financiero del Fondo Austriaco para la Ciencia FWF, la Agencia Austriaca de Promoción de la Investigación FFG y la Unión Europea, entre otros.