En 1949, el físico italiano Enrico Fermi propuso una idea revolucionaria para explicar cómo ciertas partículas del espacio —los rayos cósmicos— podían alcanzar energías descomunales: se aceleraban al chocar repetidamente contra “espejos magnéticos” en movimiento, como si rebotaran entre nubes de plasma que actúan como muros invisibles. Era una hipótesis poderosa, pero durante más de 70 años, nadie había conseguido observar el fenómeno en condiciones controladas. Hasta ahora.
Un equipo internacional de investigadores ha logrado recrear por primera vez el mecanismo de aceleración de Fermi en laboratorio. Lo han hecho utilizando átomos ultrafríos y un dispositivo de apenas 100 micrómetros de tamaño, lo que equivale al grosor de un cabello humano. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, no solo confirman la teoría, sino que abren nuevas puertas para explorar el comportamiento de partículas en condiciones extremas del universo, desde supernovas hasta agujeros negros.
La teoría que explicaba lo inalcanzable
Fermi propuso que los rayos cósmicos —partículas que viajan a velocidades cercanas a la luz— ganaban energía al rebotar contra regiones móviles de campos magnéticos en el espacio. Estas regiones actuarían como espejos en movimiento que, si el choque es frontal, incrementan la velocidad de la partícula. Esta aceleración por etapas se repite tantas veces como encuentros tenga la partícula, generando una ganancia neta de energía. Sin embargo, comprobar esta teoría requería un entorno con condiciones casi imposibles de controlar.
Los autores del estudio han logrado simular este escenario cósmico en miniatura. Mediante una nube de átomos de rubidio a temperaturas cercanas al cero absoluto y el uso de barreras ópticas móviles generadas por láser, reprodujeron un sistema que simula las colisiones descritas por Fermi. Según explican en el artículo, “realizamos un acelerador de Fermi totalmente controlable haciendo colisionar átomos ultrafríos contra barreras de potencial móviles diseñadas”.
Un acelerador de bolsillo con resultados asombrosos
El dispositivo desarrollado por los equipos de la Universidad de Birmingham y la Universidad de Chicago no necesita grandes instalaciones ni campos electromagnéticos masivos. Se trata de un sistema compacto que puede generar chorros atómicos a velocidades superiores a medio metro por segundo, un rendimiento comparable al de algunas técnicas avanzadas de óptica cuántica.
El mecanismo es elegante en su simplicidad: los átomos atrapados entre dos barreras se aceleran progresivamente cada vez que rebotan contra una de ellas en movimiento. A medida que aumenta su velocidad, también lo hace la frecuencia de los impactos, lo que potencia aún más la aceleración. Cuando su energía cinética supera cierto umbral, los átomos escapan del sistema en forma de jet. El proceso fue descrito con precisión por los autores: “cuando la energía cinética de la partícula excede A [la altura de la barrera de potencial], la partícula deja el acelerador”.
Lo más sorprendente es que todo esto ocurre en una escala microscópica y con un control detallado del sistema. La velocidad del chorro atómico puede ajustarse modificando parámetros como la altura y la forma de las barreras ópticas. Incluso pudieron comprobar que, si se disminuyen las pérdidas por disipación, no hay límite teórico a la velocidad máxima alcanzable.
Confirmando una predicción astrofísica clave
Además de reproducir el mecanismo, el equipo aprovechó el experimento para verificar una de las predicciones fundamentales del astrofísico A. R. Bell, quien propuso que las distribuciones de energía en sistemas de aceleración de partículas siguen una ley potencial específica. Este tipo de leyes son típicas en fenómenos no térmicos del universo, como los estallidos de rayos gamma o la radiación de púlsares.
Al modificar la cantidad de luz dispersada por los átomos durante las colisiones, los investigadores observaron una correlación directa entre la energía media de los átomos restantes y su número, siguiendo la relación matemática propuesta por Bell. El artículo lo detalla así: “Nuestros datos se ajustan bien a la función de ley potencial descrita anteriormente [...] como predice el argumento de Bell”.
Este hallazgo no solo refuerza la validez de la teoría de Fermi, sino que convierte al miniacelerador en una herramienta de validación experimental de modelos astrofísicos, algo que hasta ahora solo podía hacerse mediante simulaciones por computadora o observaciones indirectas en el espacio.
Una ventana al universo desde un laboratorio
La relevancia del experimento va más allá del ámbito de la astrofísica. Gracias a su precisión y control, este sistema también ofrece oportunidades para el desarrollo de nuevas tecnologías en el campo de la información cuántica, la química cuántica y la llamada atomtrónica, una rama emergente que usa átomos en lugar de electrones para crear circuitos funcionales.
El acelerador puede generar nubes de átomos con velocidades altas y temperaturas efectivas bajas, condiciones que son difíciles de obtener con otros métodos. Esto es especialmente útil para estudios en los que se requiere gran control sobre el estado cuántico de las partículas. Tal como explican los autores, “nuestro acelerador de Fermi es competitivo con los mejores métodos de aceleración usados en tecnología cuántica, pero con una implementación sustancialmente más simple”.
Incluso es posible estudiar fenómenos más complejos, como la aceleración estocástica —otro mecanismo propuesto para explicar ciertos comportamientos energéticos en entornos cósmicos— o comparar distintas formas de difusión que afectan al movimiento de partículas en medios turbulentos.
De la física fundamental a aplicaciones futuras
Una de las ventajas más destacadas del sistema es su capacidad de adaptación. Gracias al uso de espejos ópticos controlados digitalmente, se puede variar con facilidad la forma, velocidad y altura de las barreras que actúan sobre los átomos. Esto permite diseñar experimentos a medida, simulando desde choques cósmicos hasta reconexiones magnéticas.
En futuras investigaciones, los científicos planean estudiar cómo distintos tipos de interacciones afectan la aceleración de las partículas, algo que podría aportar información valiosa sobre el comportamiento de la materia en condiciones extremas. También se están explorando posibles aplicaciones en el diseño de nuevos instrumentos para manipular paquetes de onda cuánticos, que son fundamentales para el avance de tecnologías emergentes como la computación cuántica.
Con este dispositivo de escala microscópica, los investigadores no solo han respondido a una de las grandes preguntas de la física del siglo XX. Han abierto un camino para convertir laboratorios terrestres en simuladores precisos de procesos que ocurren a millones de años luz de distancia.
Referencias
- G. Barontini, V. Naniyil, J. P. Stinton, D. G. Reid, J. M. F. Gunn, H. M. Price, A. B. Deb, D. Caprioli, V. Guarrera. Observation of Fermi Acceleration with Cold Atoms. Physical Review Letters, 9 julio 2025. https://doi.org/10.1103/nrjv-pwy1.
