Los nudos cuánticos son reales

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Artículo publicado el 18 de enero de 2016 en la Universidad de Aalto

Se informa de las primeras observaciones experimentales de nudos en materia cuántica en la revista Nature Physics.

Científicos de la Universidad de Aalto, en Finlandia, y del Amherst College, en Estados Unidos, crearon ondas solitarias anudadas, o nudos de solitones, en el campo mecánico cuántico que describe un gas de átomos superfluidos, también conocido como condensado Bose–Einstein.

Visualización de nudos cuánticos

Visualización de nudos cuánticos Crédito: David Hall

En contraposición a las cuerdas anudadas, los nudos cuánticos creados existen en un campo que asume cierta dirección en cada punto del espacio. El campo se segrega en un número infinito de anillos enlazados, cada uno con su propia dirección del campo. La estructura resultante es topológicamente estable, dado que no puede separarse sin romper los anillos. En otras palabras, no se pueden deshacer los nudos dentro del superfluido a menos que se destruya el estado de la materia cuántica.

Para realizar este descubrimiento, expusimos un condensado de rubidio a cambios rápidos de un campo magnético específicamente diseñado, uniendo los nudos en menos de una milésima de segundo. Después de aprender cómo hacer el primer nudo cuántico, mejoramos mucho en esta tarea. Hasta el momento, hemos anudado cientos de tales nudos, señala el Profesor David Hall, del Amherst College.

Los científicos hicieron los nudos compactando la estructura en un condensado a partir de la periferia. Esto requería inicializar el campo cuántico para que apuntase en una dirección concreta, tras lo cual cambiaron rápidamente el campo magnético aplicado para llegar a un punto nulo aislado, en el cual se desvanece el campo magnético, en el centro de la nube. Luego esperaron apenas un milisegundo para que el campo magnético hiciese su magia y atase el nudo.

Observación de nudos cuánticos

Observación de nudos cuánticos Crédito: David Hall

Durante décadas, los físicos han predicho teóricamente que sería posible tener nudos en campos cuánticos, pero nadie había sido capaz de crear uno. Ahora que hemos visto a estas bestias exóticas, estamos realmente entusiasmados por estudiar sus peculiares propiedades. Es significativo señalar que nuestro descubrimiento se conecta con distintos campos de investigación, tales como la cosmología, la energía de fusión, y los ordenadores cuánticos, dice el director del grupo de investigación Mikko Möttönen, de la Universidad de Aalto.

Los nudos han sido usados y apreciados por las civilizaciones humanas desde hace miles de años. Por ejemplo, han permitido grandes expediciones marinas e inspirado intrincados diseños y patrones. La antigua civilización Inca usó un sistema de nudos conocido como quipu para almacenar información. En la era moderna, se cree que los nudos han desempeñado un papel importante en las bases de la naturaleza de la mecánica cuántica, aunque, hasta el momento, no se habían observado en la dinámica cuántica.

En la vida cotidiana, los nudos normalmente se atan en cuerdas con dos extremos. Sin embargo, este tipo de nudos no son lo que un matemático llamaría topológicamente estables, dado que pueden deshacerse sin cortar la cuerda. En los nudos estables, los extremos de las cuerdas están pegados entre sí. Tales nudos pueden cambiar de posición dentro de la cuerda, pero no pueden deshacerse sin unas tijeras.

Matemáticamente hablando, los nudos cuánticos creados hacen realidad un mapa conocido como fibración de Hopf, descubierto por Heinz Hopf en 1931. La fibración de Hopf aún se estudia ampliamente en física y matemáticas. Ahora se ha demostrado experimentalmente por primera vez en un campo cuántico.

Éste es el principio de la historia de los nudos cuánticos. Sería maravilloso ver nudos cuánticos aún más sofisticados, como aquellos con núcleos anudados. También sería importante crear estos nudos en condiciones donde el estado de la materia cuántica fuese inherentemente estable. Tal sistema permitiría estudios detallados de la estabilidad del propio nudo, señala Mikko Möttönen.

Referencias

D. S. Hall, M. W. Ray, K. Tiurev, E. Ruokokoski, A. H. Gheorghe, and M. Möttönen

“Tying Quantum Knots”

Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS3624

Link: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3624

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