Los físicos han utilizado por primera vez un nuevo método para observar átomos individuales interactuando en el espacio libre. Este nuevo método confirma una teoría centenaria de la mecánica cuántica. Por primera vez, los científicos han observado átomos flotando e interactuando libremente en el espacio. Este descubrimiento ayuda a confirmar algunos de los principios más básicos de la mecánica cuántica, predichos por primera vez hace más de un siglo, pero que nunca se habían comprobado directamente.
Los átomos individuales son notoriamente difíciles de observar debido a su naturaleza cuántica. Por ejemplo, los investigadores no pueden conocer simultáneamente la posición y la velocidad de un átomo debido a la rareza cuántica. Sin embargo, mediante ciertas técnicas láser, han generado imágenes de nubes de átomos.
Arriba: Dos ilustraciones muestran cómo los átomos en una trampa atómica (en rojo) se congelan repentinamente en su lugar por una red óptica. Abajo: Tres imágenes microscópicas muestran (de izquierda a derecha) el 23Na bosónico formando un condensado de Bose-Einstein; un estado de espín en la mezcla de Fermi de interacción débil de 6Li; y ambos estados de espín de la mezcla de Fermi de interacción fuerte, mostrando directamente la formación de pares. Yao et al.
«Es como ver una nube en el cielo pero no las moléculas de agua individuales que la componen», dijo en un comunicado Martin Zwierlein, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts y coautor del nuevo estudio.
El nuevo método va un paso más allá, permitiendo a los científicos fotografiar átomos en movimiento libre en el espacio. Primero, Zwierlein y sus colegas atraparon una nube de átomos de sodio en una trampa de movimiento libre a temperaturas ultrafrías. Luego, proyectaron una red de luz láser a través de la nube para congelar temporalmente los átomos en su lugar. Después, un segundo láser fluorescente iluminó la posición de los átomos individuales.
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Las partículas observadas pertenecen a un grupo llamado bosones. Comparten el mismo estado mecánico cuántico y, por lo tanto, se comportan como una onda, agrupándose. Este concepto fue propuesto por primera vez por el físico francés Louis de Broglie en 1924 y posteriormente se conoció como la «onda de De Broglie».
Ilustración de átomos flotando libremente en el aire. Stanislav Pytel
Efectivamente, los bosones que Zwierlein y su equipo observaron exhibieron un comportamiento de onda de De Broglie. Los investigadores también capturaron imágenes de fermiones de litio, un tipo de partícula que repele partículas similares en lugar de agruparse.
Los resultados se publicaron el 5 de mayo de 2025 en la revista Physical Review Letters. Otros dos grupos informaron sobre el uso de una técnica similar para observar pares de bosones y fermiones en el mismo número de la revista.
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«Podemos ver átomos individuales en estas interesantes nubes de átomos y cómo interactúan entre sí, y eso es hermoso», dijo Zwierlein.
En el futuro, el equipo planea utilizar la nueva técnica, denominada «microscopía con resolución atómica», para estudiar otros fenómenos de la mecánica cuántica. Por ejemplo, podrían usarla para observar el «efecto Hall cuántico», en el que los electrones se sincronizan al exponerse a un campo magnético intenso.
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