Primeras imágenes de átomos en libertad

Físicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology) han capturado las primeras imágenes de átomos individuales interactuando libremente en el espacio.

Las imágenes revelan correlaciones entre las partículas en libertad que hasta ahora se habían predicho, pero nunca se habían observado directamente. Sus hallazgos, publicados en la revista Physical Review Letters, ayudarán a los científicos a visualizar fenómenos cuánticos nunca antes vistos en el espacio real.

Las imágenes se tomaron utilizando una técnica desarrollada por el equipo que permite que una nube de átomos se mueva e interactúe libremente. A continuación, los investigadores activan una red de luz que congela brevemente los átomos en su trayectoria y aplican láseres finamente ajustados para iluminar rápidamente los átomos suspendidos, creando una imagen de sus posiciones antes de que se disipen naturalmente.

Los físicos aplicaron la técnica para visualizar nubes de diferentes tipos de átomos y capturaron varias imágenes inéditas. Los investigadores observaron directamente átomos conocidos como "bosones", que se agruparon en un fenómeno cuántico para formar una onda. También capturaron átomos conocidos como "fermiones" en el proceso de apareamiento en el espacio libre, un mecanismo clave que permite la superconductividad.

"Podemos ver átomos individuales en estas interesantes nubes de átomos y lo que hacen en relación entre sí, lo cual es fascinante", afirma en un comunicado Martin Zwierlein, profesor de Física en el MIT y autor del estudio.

En el mismo número de la revista, otros dos grupos informan sobre el uso de técnicas de imagen similares, incluyendo un equipo dirigido por el premio Nobel Wolfgang Ketterle, profesor de Física en el MIT. El grupo de Ketterle visualizó correlaciones mejoradas de pares entre bosones, mientras que el otro grupo, de la École Normale Supérieure de París, dirigido por Tarik Yefsah, exinvestigador postdoctoral en el laboratorio de Zwierlein, obtuvo imágenes de una nube de fermiones que no interactúan.

El estudio de Zwierlein y sus colegas es coautorado por los estudiantes de posgrado del MIT Ruixiao Yao, Sungjae Chi y Mingxuan Wang, y el profesor adjunto de física del MIT Richard Fletcher.

Un solo átomo tiene aproximadamente una décima de nanómetro de diámetro, lo que equivale a una millonésima parte del grosor de un cabello humano. A diferencia del cabello, los átomos se comportan e interactúan según las reglas de la mecánica cuántica; es su naturaleza cuántica la que dificulta su comprensión. Por ejemplo, no podemos saber con precisión dónde se encuentra un átomo ni a qué velocidad se mueve simultáneamente.

Los científicos pueden aplicar diversos métodos para obtener imágenes de átomos individuales, incluyendo la imagen de absorción, donde la luz láser incide sobre la nube de átomos y proyecta su sombra en la pantalla de una cámara.

"Estas técnicas permiten ver la forma y la estructura general de una nube de átomos, pero no los átomos individuales en sí", señala Zwierlein. "Es como ver una nube en el cielo, pero no las moléculas de agua que la componen".

Él y sus colegas adoptaron un enfoque muy diferente para visualizar directamente la interacción de átomos en el espacio libre. Su técnica, denominada "microscopía con resolución atómica", consiste primero en acorralar una nube de átomos en una trampa flexible formada por un rayo láser. Esta trampa contiene los átomos en un punto donde pueden interactuar libremente. A continuación, los investigadores proyectan una red de luz que congela los átomos en sus posiciones. Después, un segundo láser ilumina los átomos suspendidos, cuya fluorescencia revela sus posiciones individuales.