La materia más fría del universo está ahora en Japón

Un grupo de físicos de Japón y EEUU ha descubierto un nuevo imán cuántico hecho de átomos que están a una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto (menos 273,15 grados Celsius), una temperatura inalcanzable según la mecánica cuántica donde todo movimiento se detiene. Este descubrimiento abre la puerta a desarrollar nuevos materiales desconocidos hasta ahora.

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Los investigadores han sido capaces de realizar esta medición gracias al termómetro del laboratorio del equipo liderado por el profesor Yoshiro Takahashi, de la Universidad de Kioto, en Japón. Este termómetro, dicen sus creadores, utilizó láseres para enfriar los fermiones de los átomos de iterbio a temperaturas asombrosamente bajas.

"A menos que una civilización extraterrestre esté haciendo experimentos como estos en este instante, en cualquier momento que este experimento esté funcionando en la Universidad de Kioto está fabricando los fermiones más fríos del universo", cuenta Kaden Hazzard, investigador de la Universidad de Rice y uno de los autores del estudio publicado en Nature Physics. "Los fermiones no son partículas raras. Incluyen cosas como los electrones y son uno de los dos tipos de partículas de los que está hecha toda la materia".

Una materia más fría que el espacio interestelar

El lugar natural más frío del universo conocido es la nebulosa del Bumerán, situada en la constelación del Centauro a unos 5.000 años luz de la Tierra, con una temperatura media de menos 272 grados Celsius. Eso se acerca al cero absoluto, el punto en el que según la mecánica cuántica se detiene el movimiento molecular, a menos 273,15 grados Celsius o a cero grados Kelvin. Por ahora el récord de la temperatura más fría jamás medida en un laboratorio lo tiene un equipo de la Universidad de Bremen, en Alemania, que consiguió acercarse a 38 trillonésimas de grado por encima del cero absoluto al dejar caer gas magnetizado a 120 metros por una torre.

Aunque el grupo de investigadores de Japón y EEUU no se ha quedado muy atrás. Según ellos han logrado que los fermiones lleguen a una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto, una temperatura que es 3.000 millones de veces más fría que la del universo interestelar (tres grados Kelvin). Esto les ha permitido crear un imán basado en una propiedad similar al espín que tiene seis opciones de color que representan los seis posibles estados de espín de cada átomo.

"Lo bueno de conseguir este frío es que la física realmente cambia", dijo Hazzard. "La física empieza a ser más mecánica cuántica, y te permite ver nuevos fenómenos". Los átomos, al igual que los electrones y los fotones, están sujetos a las leyes de la dinámica cuántica, pero su comportamiento cuántico, dice el investigador, sólo se muestra cuando rozan temperaturas a fracciones de grado del cero absoluto.

El laboratorio de Takahashi utilizó retículas ópticas para simular un modelo de Hubbard. Este modelo cuántico, creado en 1963 por el físico teórico John Hubbard, es utilizado frecuentemente para entender el comportamiento magnético y superconductor de los materiales. Sobre todo en aquellos donde las interacciones entre los electrones producen un comportamiento colectivo, algo que el grupo de investigadores compara a las interacciones colectivas que se producen cuando los espectadores de un evento deportivo hacen la ola en un estadio repleto.

"El termómetro que utilizan en Kioto es una de las cosas importantes que aporta nuestra teoría", explica Hazzard. "Comparando sus mediciones con nuestros cálculos, podemos determinar la temperatura. La temperatura récord se consigue gracias a una curiosa nueva física que tiene que ver con la altísima simetría del sistema".

Los ingredientes de nuevos materiales inimaginables

Según explican los investigadores, el modelo Hubbard simulado en el laboratorio de Kioto tiene una simetría especial conocida como SU(N), donde SU significa grupo unitario especial (una forma matemática de describir la simetría) y N los posibles estados de espín de las partículas en el modelo. Cuanto mayor sea el valor de N, dicen, mayor será la simetría del modelo y la complejidad de los comportamientos magnéticos que describe. Los átomos de iterbio tienen seis estados de espín posibles, y el simulador de Kioto es el primero en revelar correlaciones magnéticas en un modelo de Hubbard SU(6).

El equipo de Takahashi fue capaz de atrapar hasta 300.000 átomos en su red 3D. Hazzard asegura que calcular el comportamiento de incluso una docena de partículas en un modelo SU(6) de Hubbard con precisión está en estos momentos fuera del alcance de los superordenadores más potentes. Así que, según él, el nuevo descubrimiento ofrece a los físicos la oportunidad de observar estos complejos sistemas cuánticos en acción y de entender su funcionamiento.

"Ahora mismo esta coordinación es de corto alcance, pero a medida que las partículas se enfrían aún más, pueden aparecer fases más sutiles y exóticas de la materia", explica Hazzard. "Una de las cosas interesantes de algunas de estas fases exóticas es que no están ordenadas en un patrón obvio, y tampoco son aleatorias. Hay correlaciones, pero si se observan dos átomos y se pregunta si están correlacionados, no se ven. Son mucho más sutiles. No puedes mirar dos o tres o incluso 100 átomos. Hay que mirar todo el sistema".

El equipo está trabajando para crear herramientas que permitan a otros físicos medir el comportamiento de las partículas utilizando el sistema de la Universidad de Kioto. "Estos sistemas son bastante exóticos y especiales”, afirma Hazzard. “Pero la esperanza es que al estudiarlos y comprenderlos, podamos identificar los ingredientes clave que deben estar presentes en los materiales reales".