El misterio de las centellas (1234)

Los científicos modelan raras centellas con ayuda de la cuasipartícula enredada «Skyrmion»

Ryan F. Mandelbaum

3/02/18

Representación artística de un skyrmion 3D. Ilustración: Heikka Valja (Universidad de Aalto)

Hay un fenómeno misterioso e increíblemente raro presenciado por pocos que ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo: las centellas. Estos destellos, que generalmente aparecen por las tardes durante las tormentas eléctricas y se ven como esferas pequeñas y brillantes, han desaparecido en su mayoría sin explicación, aparte de algunas teorías. Pero ahora, utilizando algunas de las físicas más alucinantes, los físicos piensan que han recreado centellas, en miniatura, en el laboratorio, al mismo tiempo que observan un fenómeno físico diferente por sí mismo por primera vez.

Lo que los científicos crearon se llama el skyrmion de Shankar, un campo magnético tridimensional, enredado, cerrado y sintético formado en un condensado de Bose-Einstein. Los condensados de Bose-Einstein son sistemas de átomos «”en este caso, átomos de rubidio»” cercanos al cero absoluto. Son capaces de demostrar extraños efectos cuánticos en escalas macroscópicas y permiten a los investigadores crear fenómenos imposibles de estudiar, como imanes con un sólo polo, supersólidos, polarones de Rydberg y, en este caso, extraños campos magnéticos anudados. Y los autores, cuyo trabajo aparece hoy en Science Advances, están absolutamente seguros de lo que han visto.

«Eso es lo mejor de estos gases cuánticos: puedes tomar fotos de ellos y ver los detalles de la estructura», dijo a Gizmodo el autor del estudio Mikko Möttönen, de la Universidad de Aalto en Finlandia. «Estamos absolutamente seguros de que es el skyrmion [tridimensional] lo que hemos visto».

Además de ser un hermoso y enredado lío de átomos, la cuasipartícula de skyrmion es un objeto realmente bueno porque parece modelar los campos eléctricos y magnéticos de las centellas. Eso fue una sorpresa para el equipo. «El momento más importante fue cuando nos dimos cuenta de que teníamos los mismos campos electromagnéticos que los predichos para las centellas», dijo Möttönen. «No apuntamos a eso. Pero wow».

Para llevar a cabo este experimento, los científicos aprovecharon el hecho de que las partículas tienen una propiedad innata llamada espín, que las hace como los imanes de barra más pequeños posibles. Al aplicar un campo magnético externo en un condensado de Bose-Einstein, los investigadores pudieron organizar cada uno de los giros de los átomos de rubidio en una configuración especial, de modo que todos se vean de la misma manera a lo largo de la superficie de una bola, pero giren de una manera peculiar dentro de la pelota.

Hay múltiples configuraciones posibles del skyrmion permitidas, siempre y cuando sigan dos reglas: cada línea de campo magnético es un círculo y se vincula con todas las demás líneas una vez, y si sigue caminos circulares que mantienen la misma dirección de giro dentro del skyrmion, El átomo se retorcerá dos veces.

Las líneas de campo magnético del skyrmion. Ilustración: David Hall (Amherst College)

Básicamente, piense en un campo magnético como una lista de instrucciones en cada punto del espacio donde irá una cosa magnética, y un campo eléctrico como una lista similar de dónde irá una partícula cargada. El skyrmion no es un campo magnético intrínseco, sino sintético basado en la disposición de los átomos de rubidio que tomarían cualquier partícula en un viaje retorcido. Tiene un campo eléctrico igualmente enredado, y las partículas se agrupan para formar estructuras complejas en el gas.

La sombra del skyrmion, que demuestra la compleja estructura de las partículas que se agrupan en tres estados de espín diferentes. La fila superior muestra lo que el equipo esperaba ver en base a la teoría, y la parte inferior muestra lo que realmente vieron. Imagen: Lee et al (Science Advances)

Otros científicos con los que hablé quedaron impresionados por la investigación. «Se necesita mucha ingeniería experimental realmente increíble para poder crear estas cosas», dijo Azure Hansen, investigador postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Le llamó la atención la impresionante coincidencia entre la teoría y sus observaciones. Los condensados de Bose-Einstein son casi macroscópicos, y estos sistemas se expanden de decenas de micrómetros a cien micrómetros en cada lado. Los científicos tomaron fotos de las sombras del skyrmion para confirmar que existía.

Más investigación sobre skyrmions podría resultar útil por otras razones además de simplemente modelar centellas, dijo Hansen. Dado que puede tener muchas configuraciones de skyrmion diferentes siempre que obedezcan las mismas reglas, son objetos topológicos. Los objetos topológicos son cosas que podrían transformarse entre sí mediante el aplastamiento o el estiramiento, al tiempo que conservan ciertas propiedades innatas. Las donas y las tazas de café, por ejemplo, son el mismo objeto topológico en el sentido de que, si ambas estuvieran hechas de arcilla, podría colocar una forma en la otra y preservar el agujero en el centro. Debido a que los skyrmions siguen siendo skyrmions incluso cuando los aplastas y deformas, podrían ser útiles para cosas como la computación cuántica, que requiere mantener un estado cuántico coherente a pesar de empujar desde el entorno exterior.

En definitiva, el descubrimiento en sí es emocionante. «Sabíamos que esto iba a ser un gran resultado porque nunca se había visto antes», dijo Möttönen, «pero además, obtuvimos esta analogía con las centellas, lo cual fue genial».

https://gizmodo.com/scientists-model-rare-ball-lightning-with-help-from-tan-1823442462