Fragmentation of Quantum Fluid in dipolar Bose-Einstein condensate

En los rincones más fríos del universo, donde los átomos se enfrían a temperaturas que son apenas un susurro por encima del cero absoluto, la materia se comporta de formas que desafían nuestra intuición cotidiana. Aquí, en el reino de la física cuántica, las nubes de gas pueden transformarse en una entidad única y unificada conocida como condensado de Bose-Einstein. En este estado, miles de átomos pierden sus identidades individuales y marchan al unísono, actuando como una sola onda gigante. Los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo estos fluidos fluyen sin fricción, una propiedad llamada superfluidez. Más recientemente, los investigadores han descubierto que, bajo condiciones específicas, estos mismos fluidos también pueden formar pequeñas gotas autocontenidas que se comportan como un líquido, pero que permanecen congeladas en un patrón rígido, similar a un cristal. Este extraño estado híbrido, que posee el flujo de un líquido y la estructura de un sólido, se denomina supersólido. Comprender cómo se forman estos materiales, y qué causa que se rompan o se fragmenten, es crucial para desarrollar la próxima generación de tecnologías cuánticas, desde sensores ultraprecisos hasta computadoras avanzadas.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Bennett en la India ha analizado recientemente más de cerca las fuerzas que gobiernan este delicado equilibrio. Se centraron en un tipo específico de fluido cuántico compuesto por átomos que poseen un dipolo magnético, lo que significa que actúan como diminutos imanes de barra. Estos átomos magnéticos interactúan entre sí a largas distancias, creando un complejo tira y afloja entre diferentes tipos de fuerzas. Algunas fuerzas atraen a los átomos, mientras que otras los empujan. Los investigadores querían comprender cómo estos empujes y tracciones competitivos, combinados con sutiles fluctuaciones cuánticas, podrían hacer que un fluido suave y uniforme se hiciera añicos en una serie de gotas distintas y fragmentadas. Mediante la ejecución de simulaciones computacionales detalladas, mapearon exactamente cómo el fluido cambia su forma y comportamiento a medida que ajustaban la fuerza de estas interacciones.

El estudio comenzó modelando un tubo largo y estrecho de este fluido cuántico magnético. En este entorno, los átomos están comprimidos tan fuertemente desde los lados que solo pueden moverse libremente de atrás hacia adelante a lo largo de la longitud del tubo. Los investigadores introdujeron tres tipos principales de interacciones en su modelo. Primero, estaba la atracción estándar entre átomos que intenta hacer que se agrupen. Segundo, incluyeron una fuerza repulsiva que surge de las fluctuaciones cuánticas, la cual actúa como una red de seguridad para evitar que el fluido colapse por completo. Tercero, dieron cuenta de la repulsión magnética de largo alcance entre los átomos. Al ajustar la fuerza de la repulsión magnética mientras mantenían constantes las otras fuerzas, el equipo observó qué le sucedía al fluido.

Descubrieron que cuando la repulsión magnética era débil, el fluido permanecía como un bulto único y suave. Sin embargo, a medida que aumentaban gradualmente el empuje magnético, el fluido comenzaba a perder su forma uniforme. En un umbral específico, el bulto suave comenzó a romperse en una serie de picos separados, asemejándose a un collar de perlas. Este proceso, conocido como fragmentación, no ocurrió de forma aleatoria. Los investigadores observaron que el fluido desarrolló primero una inestabilidad específica en sus vibraciones internas, un fenómeno que identificaron como un "modo rotón". Puede pensar en esto como una onda en el fluido que de repente se ralentiza y se detiene, causando que el material se doble y se pliegue sobre sí mismo. Una vez que esta vibración alcanzó un punto crítico, el fluido se organizó espontáneamente en un patrón periódico de gotas.

Crucialmente, el equipo descubió que la presencia de la fuerza de fluctuación cuántica es esencial para que ocurra la fragmentación. Si eliminaban esta red de seguridad repulsiva de sus cálculos, el fluido no produciría la estructura fragmentada observada. Esto confirmó que la interacción entre las fuerzas de atracción, la repulsión magnética y las fluctuaciones cuánticas es el mecanismo clave que impulsa al fluido a romperse. Los investigadores también notaron que, a medida que el fluido se fragmentaba debido al aumento de la repulsión magnética, la fracción superfluida disminuía aproximadamente un 28%. Esta caída en la fracción sugiere que los átomos se estaban fijando en su lugar, bloqueados en el nuevo arreglo cristalino de gotas, un sello distintivo del estado de supersólido.

El equipo exploró entonces qué sucedería si cambiaban la fuerza de la atracción que tira de los átomos, en lugar de la repulsión magnética. En este escenario, descubrieron que el fluido podía formar gotas de cima plana, que son estables y uniformes en el centro. Sin embargo, si la atracción se volvía demasiado fuerte, estas gotas de cima plana también se volverían inestables y se romperían. Esta vez, la ruptura fue impulsada por un mecanismo diferente llamado inestabilidad modulacional. En este proceso, las pequeñas ondulaciones en el fluido crecen cada vez más hasta que la única gota se divide en múltiples gotas más pequeñas. Los investigadores observaron que, a medida que las gotas se fragmentaban, la cantidad de "ruido" cuántico o depletación en el sistema aumentaba, lo que significa que menos átomos permanecían en el estado perfecto y sincronizado. En este caso específico, sin embargo, la fracción de superfluidez se mantuvo relativamente fija cerca de la unidad, indicando que los átomos retenían su capacidad de fluir sin resistencia incluso cuando la fracción del condensado disminuía.

Finalmente, los investigadores investigaron cómo el número de átomos en el fluido influía en estos resultados. Descubrieron que aumentar el número de átomos en realidad impulsaba al fluido a transicionar de una forma localizada a un perfil de cima plana y, eventualmente, a gotas fragmentadas. Este efecto se observó tanto si la repulsión magnética estaba presente como si no, aunque los detalles específicos de la inestabilidad cambiaron ligeramente en cada caso. En presencia de repulsión magnética, añadir más átomos suprimió la tasa de crecimiento de la inestabilidad, aunque la fragmentación aún emergía a medida que el sistema evolucionaba. En cada escenario, la fracción de superfluidez se mantuvo relativamente alta, indicando que incluso cuando el fluido se rompía en piezas, los átomos dentro de esas piezas mantenían una fuerte conexión entre sí. El estudio concluye que la fragmentación de estos fluidos cuánticos es un fenómeno robusto impulsado por la competencia entre diferentes fuerzas, y que comprender este equilibrio es esencial para controlar la transición entre un líquido que fluye y un cristal de supersólido rígido. Estos hallazgos proporcionan una hoja de ruta más clara para los experimentales que intentan crear y manipular estos estados exóticos de la materia en el laboratorio.