Investigadores de la Universidad de California han comprobado por primera vez el efecto búmeran cuántico, que se produce en materiales desordenados condicionando su conductividad. El resultado potencia su aplicación en sistemas multidimensionales.
Una de las paradojas poco conocidas de la mecánica cuántica es el así llamado efecto bumerán cuántico, concebido en 1958 por el Premio Nobel de Física, Philip Warren Anderson.
Warren Anderson fue distinguido con este galardón por sus investigaciones sobre la estructura electrónica de los sistemas magnéticos desordenados. Fallecido en 2020, su contribución sobre la ruptura de simetría en la física de partículas condujo al desarrollo del Modelo Estándar.
El trabajo de Anderson no solo ayudó a explicar la mala conducción de la electricidad en los sistemas desordenados, sino que también anticipó la existencia del efecto búmeran cuántico.
La esencia de este efecto, sin parangón en la física clásica, es que las partículas que forman los materiales desordenados salen disparadas en todas las direcciones, aunque inmediatamente regresan a su posición original, donde permanecen estáticas. La característica de los materiales desordenados es precisamente el comportamiento caótico de las partículas que los forman.
Traducido a ejemplo, el efecto búmeran cuántico refleja el comportamiento de un perro cuando le arrojamos un palo: sale corriendo, lo recoge y lo trae de nuevo a nuestros pies, el mismo lugar del que había salido disparado.
Búmeran canino
Los electrones de los materiales desordenados no se comportan exactamente como un búmeran, ya que no pasan de largo cuando regresan al punto de partida, sino que permanecen allí para siempre. Este comportamiento afecta a la conductividad de un material y por eso es importante.
Aunque este comportamiento fue sugerido por Anderson hace más de 60 años, y solo se describió teóricamente como tal por científicos franceses en 2019, hasta ahora el efecto búmeran cuántico nunca se había comprobado experimentalmente.
Esto es lo que ha conseguido un equipo de investigadores liderado por David Weld, de la Universidad de California en Santa Bárbara, cuyos resultados se han publicado en la revista Phys. Rev. X.
Y lo han comprobado no con electrones, tal como se había predicho con anterioridad, sino con 100.000 átomos de litio ultrafríos, por considerar que con ellos era más sencillo comprobar el efecto búmeran, a pesar de que es mucho más difícil seguir el movimiento de los átomos que de los electrones.
Ida y vuelta
Los investigadores observaron que en un primer momento los átomos de litio ultrafríos estaban quietos en sus respectivas posiciones, pero después de recibir un impulso láser salieron disparados.
Y lo que pasó a continuación confirmó el efecto búmeran: los átomos, en su mayoría, volvieron a su posición de origen, emulando el comportamiento de un búmeran australiano.
A diferencia de la física clásica, en la que la inercia se pierde debido a la fricción, en el mundo cuántico es la pérdida de impulso lo que provoca el comportamiento búmeran de los átomos.
Este principio cuántico también fue comprobado en la nueva investigación, ya que el efecto búmeran depende de la regularidad de los pulsos láser.
Rompiendo simetrías
El experimento permitió comprobar al respecto que el efecto búmeran se puede romper jugando precisamente con los pulsos láser que sacan a los átomos de sus estáticas posiciones originales.
Para que ocurra este efecto cuántico, se necesita la simetría del tiempo, un estado en el que las partículas se comportan igual en todo el proceso, tanto en el futuro como cuando retroceden hacia el pasado (su posición original).
Cambiando la dinámica de los pulsos láser que desencadenan la estampida de los átomos de litio ultrafríos, se puede romper esa simetría del tiempo en el comportamiento de las partículas y provocar la desaparición del efecto búmeran.
Los protagonistas de este experimento aseguran que los comportamientos observados en los átomos de litio ultrafríos se corresponden matemáticamente con los cálculos teóricos previos.
Y consideran que el resultado conseguido es prometedor, ya que potencia el desarrollo de "fenómenos de búmeran en sistemas multidimensionales".
Referencia
Observation of the quantum boomerang effect. Roshan Sajjad et al. Phys. Rev. X. 25 January 2022 (In press).
