Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

En el silencioso mundo de la física cuántica, donde los átomos se comportan menos como canicas sólidas y más como ondas superpuestas, los científicos han dependido durante mucho tiempo de una regla simple: dado suficiente tiempo, un sistema caótico eventualmente se estabilizará en un estado tranquilo y predecible llamado equilibrio térmico. Este es el estado en el que la energía se comparte por igual entre todas las partes de un sistema, como una taza de café enfriándose hasta igualar la temperatura de la habitación. Sin embargo, la naturaleza a veces toma un desvío. Antes de alcanzar ese calmado final, muchos sistemas se quedan estancados en una condición semiestable y duradera conocida como estado pretérmico. En esta fase, el sistema parece haberse asentado, pero conserva una memoria de su caos inicial, negándose a compartir su energía de manera justa. Comprender por qué y cómo estos sistemas se quedan estancados es un desafío fundamental, que ofrece pistas sobre todo, desde los primeros momentos del universo hasta el comportamiento de materiales complejos.

Un equipo de investigadores del Joint Quantum Institute y del National Institute of Standards and Technology ha capturado ahora este fenómeno en acción, observándolo dentro de una nube de átomos ultrafríos. Crearon un escenario donde dos tipos distintos de átomos, que naturalmente se repelen entre sí, fueron forzados a compartir un espacio. Cuando las condiciones cambiaron repentinamente, estos átomos no simplemente se mezclaron o se separaron instantáneamente. En su lugar, formaron una frontera nítida, una interfaz unidimensional, entre dos grandes dominios. Esta frontera no era una pared estática; ondulaba y vacilaba con ondas conocidas como riplones. Al observar cómo evolucionaban estas ondas a lo largo del tiempo, los científicos descubrieron que la interfaz entró en un estado pretérmico que desafiaba las reglas habituales de intercambio de energía.

El experimento comenzó con una nube de aproximadamente 1.6 millones de átomos de sodio, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto y atrapados en una caja plana de forma cuadrada. Inicialmente, todos los átomos estaban en el mismo estado cuántico. Los investigadores utilizaron luego un pulso de microondas para dividir la nube en dos grupos iguales de átomos que eran mutuamente incompatibles, como el aceite y el agua. Estos dos grupos comenzaron a separarse inmediatamente, formando gotas aleatorias que se fusionaron y crecieron hasta que surgieron dos grandes dominios distintos en lados opuestos de la caja. La frontera entre ellos fue el foco del estudio. A medida que los átomos se asentaban, la interfaz entre los dos dominios comenzó a fluctuar, creando ondas de diferentes tamaños. Los investigadores midieron la altura de esta frontera con extrema precisión, rastreando cómo cambiaban estas ondas durante un período de hasta cuatro segundos.

Lo que encontraron fue una división de comportamiento sorprendente. Las ondas en la interfaz venían en muchos tamaños, desde rizos cortos y apretados hasta ondulaciones largas y amplias. Los rizos cortos de alta frecuencia perdieron rápidamente su energía hacia la nube circundante de átomos, estabilizándose en una temperatura que coincidía con la del resto del gas. Sin embargo, las ondas largas y de baja frecuencia se comportaron de manera diferente. Estos grandes rizos permanecieron calientes, reteniendo significativamente más energía que el resto del sistema, incluso después de que los investigadores esperaron durante mucho tiempo. El sistema había alcanzado un estado en el que las ondas pequeñas estaban tranquilas, pero las ondas grandes seguían agitadas, creando una configuración pretérmica de larga duración.

Para entender esto, los científicos tuvieron que observar cómo se mueve la energía entre estas ondas y los átomos circundantes. En un sistema típico, la energía fluye libremente hasta que todo es la misma temperatura. Aquí, las reglas del movimiento impidieron ese flujo para las ondas grandes. Los investigadores descubrieron que los grandes rizos estaban cinemáticamente aislados. Esto significa que las leyes de la física que gobiernan su movimiento hicieron imposible que transfirieran fácilmente su energía a los átomos circundantes a través de los procesos habituales de tipo colisión. La energía necesaria para que un gran rizo entregara su calor no coincidía con la energía disponible en los átomos circundantes, creando un desajuste que bloqueó la transferencia. Es similar a intentar empujar una roca pesada con una brisa suave; la brisa simplemente no puede mover la piedra, sin importar cuánto sople.

El equipo confirmó este aislamiento midiendo directamente la temperatura de las ondas. Encontraron que la temperatura de los grandes rizos era mucho mayor que la temperatura del gas circundante, mientras que los rizos pequeños se habían enfriado para coincidir con el gas. También descartaron otras posibilidades, como que las ondas formaran un estado especial y coherente como un rayo láser, al demostrar que las ondas seguían un patrón estadístico estándar, solo que con la temperatura incorrecta. Los datos mostraron que las grandes ondas decayeron increíblemente lento, con un tiempo medido de unos cinco segundos para relajarse, lo cual es mucho más largo que el tiempo que tardaron las ondas pequeñas en asentarse.

Este descubrimiento proporciona un ejemplo experimental claro de cómo un sistema puede quedarse estancado en un estado pretérmico no porque sea perfectamente ordenado, sino porque las formas específicas en que la energía puede moverse están bloqueadas por la geometría del sistema mismo. Los investigadores observaron que la interfaz entre los dos dominios atómicos actuó como un subsistema que estuvo efectivamente desconectado del resto del mundo durante un período significativo. Mientras que las ondas pequeñas encontraron un camino hacia el equilibrio, las ondas grandes permanecieron atrapadas en un estado de energía elevada, esperando una interacción rara y compleja que finalmente les permitiera enfriarse.

El trabajo destaca un aspecto fundamental de la mecánica cuántica: incluso en un sistema que no está perfectamente aislado, ciertas partes pueden permanecer fuera del equilibrio durante mucho tiempo si las vías de intercambio de energía están bloqueadas. Los investigadores señalaron que, aunque han identificado el mecanismo para esta relajación lenta, los procesos exactos que crearon inicialmente este estado pretérmico y los detalles completos de cómo decae finalmente siguen siendo preguntas abiertas. Sugieren que la respuesta puede residir en cómo las ondas individuales pierden su coherencia de fase o se mezclan entre sí dentro del grupo pretérmico. Al proporcionar una plataforma limpia y controlable para estudiar estas dinámicas, este experimento abre una nueva ventana para comprender cómo los sistemas cuánticos complejos se aproximan al equilibrio, un proceso que es central para el comportamiento de la materia a las escalas más pequeñas.