Los físicos crean extraños anillos cuánticos de Alicia por primera vez

Los investigadores manipularon miles de átomos extremadamente fríos para crear un defecto en forma de anillo que puede cambiar las propiedades de los objetos cuánticos que lo atraviesan.

Por Karmela Padavic-Callaghan

29 agosto 2023

Ilustración artística de un anillo de Alice, que se ha observado por primera vez.

Heikka Valja/Universidad Aalto

Los físicos han mirado a través del proverbial espejo y los átomos del otro lado pertenecen a un mundo de opuestos. Por primera vez, los investigadores han creado un objeto cuántico exótico llamado anillo de Alice, que cambia las propiedades de otros objetos cuánticos cuando pasan a través de él, o cuando simplemente se ven a través de él.

Los sistemas cuánticos, como conjuntos de átomos muy fríos o incluso todo nuestro universo, deberían contener en teoría objetos extraños llamados defectos topológicos. Algunos son como largas cuerdas, y otros son aún más extraños: puntos de dimensión cero, en cuyo centro cosas como campos magnéticos se vuelven matemáticamente imposibles de describir.

Estos defectos son difíciles de crear y observar. Pero Mikko Möttönen, de la Universidad Aalto de Finlandia, y sus colegas han descubierto cómo crear un defecto topológico que se transforma rápidamente en otro.

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Para hacerlo, primero colocaron 250.000 átomos de rubidio en una pequeña cámara sin aire, luego los golpearon con láseres para frenar su movimiento natural y empujarlos a una temperatura cercana al cero absoluto. En estas condiciones, todos los átomos se comportaron como un gran objeto cuántico. Debido a una propiedad cuántica llamada espín, ese objeto era sensible a los campos magnéticos.

Möttönen dice que el equipo utilizó simulaciones por computadora y modelos matemáticos para determinar cómo modelar la dirección y la fuerza de los campos magnéticos para torcer los átomos hasta que apareciera un defecto topológico. Este enfoque se había utilizado anteriormente para crear defectos llamados monopolos, partículas análogas a un imán con un solo polo.

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Ahora, los investigadores también observaron el destino de un monopolo: después de unos pocos milisegundos, cada monopolo que crearon se expandió hasta formar un anillo de Alice con una propiedad muy extraña.

“Hay una peculiaridad en este anillo de Alice. Dependiendo de si miras algún monopolo cercano a través del anillo o desde el costado del anillo, su carga se ve diferente. Así, el anillo invierte la carga de los objetos que miras”, dice Möttönen. Las simulaciones por computadora demostraron además que la carga de un monopolo cambiaría completamente (de positivo a negativo, por ejemplo) si se movía a través del anillo de Alice.

Möttönen y sus colegas han utilizado previamente este método para crear defectos topológicos en átomos ultrafríos, incluidas estructuras en forma de nudos y remolinos especiales llamados skyrmions. El siguiente desafío al que se han fijado es no sólo crear un monopolo y un anillo de Alicia, sino también hacer que uno pase a través del otro para probar directamente su función similar a un espejo, dice.

Janne Ruostekoski, de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, dice que el método que desarrollaron los investigadores es único y podría incluso permitir visualizar teoremas matemáticos abstractos. Por ejemplo, podría brindar a los científicos una forma de investigar el llamado "teorema de la bola peluda", que dicta la textura de los campos alrededor de defectos topológicos.

Esto abre “oportunidades sin precedentes” para investigar teorías en cosmología o física de altas energías “donde no había evidencia experimental antes”, dice.

Referencia de la revista:

Comunicaciones de la naturaleza DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2

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