Un trozo de hielo en un cubo de agua caliente se derrite. Las moléculas de uno y otro alcanzan un «equilibrio térmico» en el que todas tienen la misma temperatura. Las que están ordenadas formando cristales de hielo pasan a formar parte del caótico líquido. Este proceso se conoce como «termalización». Pero un grupo de investigadores ha descubierto que, a nivel cuántico, hay más: un estado intermedio.
Un grupo de investigadores del Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) ha descubierto que, entre un estado inicial ordenado y un estado final desordenado, puede surgir un «estado intermedio cuasiestacionario». Éste tendría algunas características de la situación inicial —hielo— y de la final —el agua con las moléculas en equilibrio térmico—. Para colmo, se mantiene durante un buen rato, lo que podría ayudar a comprender cómo fueron los primeros instantes del universo.
«En nuestros experimentos empezamos con un condensado Bose-Einstein —una nube de gas cuántico unidimensional de átomos enfriados hasta casi el cero absoluto— que se separa en dos», explica Jörg Schmiedmayer, autor principal de la investigación. Cuando las dos partes del condensado se vuelven a juntar, crean un patrón de interferencias ordenado en sus ondas de materia. «La forma de estas interferencias nos muestra que todavía no han olvidado que provienen de la misma nube de átomos», dice Schmiedmayer.
Cuanto más tiempo pasa antes de volver a unirlas, menos orden hay en los patrones de interferencia. «Lo sorprendente es que el orden no llega directamente a un mínimo. Primero decae rápidamente, pero después se mantiene en un estado intermedio, el de pre-termalización», afirma Michael Gring, otro de los investigadores.
«Durante un tiempo no estaba claro cómo podíamos interpretar este fenómeno. Tuvimos que mejorar los experimentos y desarrollar toda la teoría», explica Schmiedmayer. Tras el trabajo, en el que también participó el grupo de Eugene Demler (de Harvard), pudieron explicar qué ocurría. «El desorden observado en el estado intermedio no depende de la temperatura del estado inicial, sino que se introduce en el sistema por las leyes de la física cuántica cuando la nube de átomos se separa en dos», asegura Schmiedmayer.
Entender los primeros instantes
Este nuevo estado intermedio también puede ayudar a entender la física que regía los primeros instantes del Universo. Justo tras el Big Bang la materia todavía no estaba ordenada en átomos y moléculas, sino en una sopa ultracaliente y desordenada denominada plasma de quarks-gluones. Un plasma que se puede replicar en los aceleradores de partículas colisionando nucleos atómicos pesados.
Los experimentos que han creado plasma de quark-gluones han mostrado que algunos aspectos del plasma tienden hacia el «equilibrio térmico» mucho más rápido de lo previsto. La «pre-termalización» se postuló precisamente para explicar este comportamiento. Los científicos creen que también aquí podría darse el caso de un estado intermedio. En vez de estar ahí al pasar de ordenado —hielo— a desordenado —agua—, que se diese al pasar de desordenado —plasma de quark-gluones— a ordenado —átomos, moléculas, etc—.
Los procesos asociados con el decaimiento de un sistema cuántico al equilibrio térmico, por último, también podría ayudar a comprender la relación entre la física cuántica y el mundo macroscópico.
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