Los físicos lo han vuelto a hacer: han descubierto un nuevo estado cuántico que tiene perfecto sentido sobre el papel y absolutamente ninguno en el cerebro de una persona normal. En un estudio publicado en Physical Review Letters, investigadores liderados por Hanns-Christoph Nägerl, trabajando con el físico teórico Alvise Bastianello del CNRS y la Université Paris-Dauphine, han descrito cómo diseñar un estado cuántico exótico conocido como "mar de Fermi fraccional". El nombre por sí solo suena como un plato de mariscos rechazado, pero la física es genuinamente extraña.

El avance implica empujar átomos de cesio ultrafríos mucho más allá de sus condiciones normales cambiando repetidamente la intensidad con la que se atraen o repelen entre sí. En lugar de simplemente volverse desordenados —que es lo que la mayoría de nosotros hacemos bajo estrés repetido—, las partículas se reorganizan en una configuración inusual que se comporta de manera diferente a los sistemas cuánticos que los científicos han estudiado tradicionalmente. Los hallazgos teóricos proporcionan la base para la reciente investigación experimental realizada por el equipo de Nägerl en el Departamento de Física Experimental.

En condiciones ordinarias, las partículas cuánticas siguen reglas bien establecidas que determinan cómo se organizan, particularmente a temperaturas extremadamente bajas. Un ejemplo importante involucra a los fermiones, una categoría de partículas que incluye a los electrones. Estas partículas no pueden ocupar todas el mismo estado cuántico, por lo que llenan los niveles de energía disponibles de acuerdo con restricciones específicas. A temperaturas muy bajas, esta disposición produce lo que los físicos llaman un mar de Fermi. Es ordenado, predecible y —seamos honestos— un poco aburrido.

Pero, ¿qué sucede cuando los investigadores interrumpen deliberadamente las condiciones que normalmente gobiernan cómo se comportan las partículas? Como explica Alvise Bastianello: "Los fermiones, por ejemplo, se apilan ordenadamente en los estados de energía disponibles para formar el llamado 'mar de Fermi'. Pero, ¿qué pasa si se obliga a átomos interactuantes a ciclar continuamente a través de condiciones extremas, cambiando suavemente de repelerse fuertemente a atraerse fuertemente?" Es el equivalente cuántico de preguntar qué pasa si sigues accionando el interruptor de una bombilla muy pequeña y muy confundida.

Para investigar esta posibilidad, los investigadores estudiaron átomos de cesio ultrafríos confinados en un sistema unidimensional. Esto significa que los átomos están restringidos a moverse a lo largo de una sola dirección, creando un entorno en el que sus interacciones cuánticas pueden estudiarse con un control excepcional. El equipo examinó qué sucede cuando las interacciones entre estos átomos se ajustan repetidamente, alternando entre una poderosa repulsión y atracción.

Sus cálculos revelaron algo inesperado. Partiendo del estado fundamental, la configuración de menor energía disponible para el sistema, los átomos podían ser llevados a un estado altamente excitado sin perder su organización subyacente. Los investigadores llaman a esta disposición inusual un mar de Fermi fraccional porque sus partículas parecen obedecer una regla modificada que gobierna cómo se ocupan los estados cuánticos.

"En lugar de simplemente calentar el sistema, el ciclo de interacción reorganiza los átomos en un nuevo estado de muchos cuerpos", dice Yi Zeng, el autor principal de este estudio. "Esto nos da una forma controlada de explorar la materia cuántica más allá de los paradigmas de equilibrio habituales". En otras palabras, agitaron el Etch A Sketch cuántico y obtuvieron una obra maestra en lugar de un desastre.

Una de las características más intrigantes del mar de Fermi fraccional es que sus partículas permanecen organizadas aunque el sistema haya sido empujado lejos del equilibrio. En física, el equilibrio describe una condición en la que las propiedades generales de un sistema se han asentado en un equilibrio estable. Los sistemas impulsados lejos del equilibrio pueden comportarse de maneras complicadas e inesperadas, lo que los hace particularmente difíciles de entender. Sin embargo, el mar de Fermi fraccional no es simplemente una colección de partículas excitadas comportándose aleatoriamente. En cambio, contiene patrones matemáticos distintivos que revelan una comprensión más profunda.