Los fermiones son los componentes básicos de la materia e interactúan en multitud de permutaciones para dar lugar a los elementos de la tabla periódica. Sin fermiones, el mundo físico no existiría.
Algunos ejemplos de fermiones son los electrones, protones, neutrones, quarks y átomos formados por un número impar de estas partículas elementales. Debido a su naturaleza fermiónica, los electrones y la materia nuclear son difíciles de comprender desde el punto de vista teórico, por lo que los investigadores intentan utilizar gases ultrafríos de átomos fermiónicos como sustitutos de otros fermiones.
Sin embargo, los átomos son extremadamente sensibles a la luz: cuando un solo fotón golpea un átomo, puede desplazar la partícula, un efecto que ha dificultado enormemente la obtención de imágenes de átomos fermiónicos individuales.
Ahora, un equipo de físicos del MIT ha construido un microscopio capaz de ver hasta 1.000 átomos fermiónicos individuales. Los investigadores idearon una técnica basada en láseres para atrapar y congelar los fermiones en su sitio y obtener imágenes de las partículas simultáneamente.
La nueva técnica de obtención de imágenes utiliza dos haces láser dirigidos hacia una nube de átomos fermiónicos en una red óptica. Los dos haces, cada uno con una longitud de onda diferente, enfrían la nube y hacen que los fermiones individuales desciendan un nivel de energía, hasta llevarlos finalmente a sus estados de energía más bajos, lo bastante fríos y estables como para permanecer en su sitio. Al mismo tiempo, cada fermión emite luz, que el microscopio capta y utiliza para obtener una imagen de la posición exacta del fermión en la red, con una precisión superior a la longitud de onda de la luz.
Con la nueva técnica, los investigadores pueden enfriar y obtener imágenes de más del 95 % de los átomos fermiónicos que componen una nube de gas de potasio. Martin Zwierlein, profesor de física del MIT, afirma que un resultado interesante de la técnica parece ser que puede mantener fríos los fermiones incluso después de obtener las imágenes.
«Eso significa que sé dónde están y que quizá pueda moverlos con unas pequeñas pinzas a cualquier lugar y disponerlos en cualquier patrón que quiera», dice Zwierlein.
Zwierlein y sus colegas, entre ellos el primer autor, Lawrence Cheuk, estudiante de posgrado, han publicado hoy sus resultados en la revista Physical Review Letters.
Ver fermiones a partir de bosones
Durante las últimas dos décadas, los físicos experimentales han estudiado gases atómicos ultrafríos de las dos clases de partículas: fermiones y bosones, partículas como los fotones que, a diferencia de los fermiones, pueden ocupar el mismo estado cuántico en cantidades ilimitadas. En 2009, el físico Markus Greiner, de la Universidad de Harvard, ideó un microscopio que logró obtener imágenes de bosones individuales en una red óptica muy compacta. A este hito le siguió, en 2010, un segundo microscopio para bosones, desarrollado por el grupo de Immanuel Bloch en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica.
Estos microscopios revelaron, con un nivel de detalle sin precedentes, el comportamiento de los bosones bajo interacciones fuertes. Sin embargo, nadie había desarrollado hasta entonces un microscopio comparable para átomos fermiónicos.
«Queríamos hacer con los fermiones lo que estos grupos habían hecho con los bosones», dice Zwierlein. «Y resultó que era mucho más difícil con los fermiones, porque los átomos que usamos no se enfrían con tanta facilidad. Así que tuvimos que encontrar una nueva manera de enfriarlos mientras los observábamos».
En las últimas décadas se han ideado técnicas para enfriar los átomos hasta acercarlos cada vez más al cero absoluto. Carl Wieman, Eric Cornell y Wolfgang Ketterle, del MIT, lograron la condensación de Bose-Einstein en 1995, un hito por el que recibieron el Premio Nobel de Física de 2001. Otras técnicas incluyen un proceso que utiliza láseres para enfriar átomos desde los 300 grados Celsius hasta unas pocas diezmilésimas de grado por encima del cero absoluto.
Una ingeniosa técnica de enfriamiento
Y, sin embargo, para ver átomos fermiónicos individuales, es necesario enfriar aún más las partículas. Para hacerlo, el grupo de Zwierlein creó una red óptica con haces láser, formando una estructura parecida a un cartón de huevos, cuyos huecos podían atrapar cada uno un fermión. Mediante varias etapas de enfriamiento por láser, atrapamiento magnético y enfriamiento evaporativo adicional del gas, los átomos se prepararon a temperaturas apenas superiores al cero absoluto, lo bastante frías para que los fermiones individuales se asentaran en la red óptica subyacente. El equipo colocó la red a apenas 7 micras de una lente de obtención de imágenes, a través de la cual esperaba ver fermiones individuales.
Sin embargo, para ver los fermiones es necesario iluminarlos, lo que hace que un fotón desplace prácticamente a un átomo fermiónico de su hueco y, potencialmente, lo saque por completo del sistema.
«Necesitábamos una técnica ingeniosa para mantener fríos los átomos mientras los observábamos», dice Zwierlein.
Su equipo decidió utilizar un método de dos láseres para enfriar aún más los átomos; la técnica manipula un nivel de energía particular del átomo, o su energía vibracional. Cada átomo ocupa un estado de energía determinado: cuanto más alto es ese estado, más activa es la partícula. El equipo dirigió hacia la red dos haces láser de frecuencias distintas. La diferencia entre las frecuencias correspondía a la energía entre los niveles de energía de un fermión. Como resultado, cuando ambos haces se dirigían a un fermión, la partícula absorbía la frecuencia menor y emitía un fotón del haz de mayor frecuencia, descendiendo así un nivel de energía a un estado más frío e inerte. La lente situada sobre la red recoge el fotón emitido y registra su posición precisa y la del fermión.
Zwierlein afirma que esta obtención de imágenes de alta resolución de más de 1.000 átomos fermiónicos a la vez mejoraría nuestra comprensión del comportamiento de otros fermiones en la naturaleza, en particular el de los electrones. Este conocimiento podría algún día hacer avanzar nuestra comprensión de los superconductores de alta temperatura, que permiten transportar energía sin pérdidas, así como de sistemas cuánticos como los sistemas de estado sólido o la materia nuclear.
«El microscopio de gas de Fermi, junto con la capacidad de colocar los átomos donde se quiera, podría ser un paso importante hacia la realización de una computadora cuántica basada en fermiones», dice Zwierlein. «Así se aprovecharía el poder de las mismas e intrincadas reglas cuánticas que hasta ahora dificultan nuestra comprensión de los sistemas electrónicos».
Zwierlein afirma que es un buen momento para quienes trabajan con microscopios de gas de Fermi: casi al mismo tiempo que su grupo presentó por primera vez sus resultados, equipos de Harvard y de la Universidad de Strathclyde, en Glasgow, también informaron que habían obtenido imágenes de átomos fermiónicos individuales en redes ópticas, lo que apunta a un futuro prometedor para estos microscopios.
Zoran Hadzibabic, profesor de física del Trinity College, afirma que el microscopio del grupo puede detectar átomos individuales «con una fidelidad casi perfecta».
«Los detectan de forma fiable y lo hacen sin afectar a sus posiciones: eso es todo lo que se quiere», dice Hadzibabic, quien no contribuyó a la investigación. «Hasta ahora han demostrado la técnica, pero sabemos por la experiencia con los bosones que ese es el paso más difícil, y espero que los resultados científicos empiecen a llegar en abundancia».
Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation, la Air Force Office of Scientific Research, la Office of Naval Research, la Army Research Office y la David and Lucile Packard Foundation.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autora: Jennifer Chu es redactora de MIT News.
Imagen: Una investigadora utiliza un microscopio. REUTERS/Regis Duvignau.
