Cuando hablamos de átomos, solemos pensar en esferas invisibles que componen todo lo que nos rodea. Pero, ¿cómo se comportan realmente cuando nadie los observa? Durante décadas, la física cuántica ha tenido que describir sus movimientos a partir de modelos matemáticos y promedios estadísticos, sin poder ver directamente qué hacen en tiempo real. Esa limitación ha cambiado con un experimento reciente llevado a cabo por un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que ha logrado algo inédito: fotografiar átomos individuales mientras interactúan libremente entre sí en el espacio.
Este trabajo, publicado en la revista Physical Review Letters, no solo representa un hito técnico, sino que también ofrece una ventana directa al mundo cuántico, permitiendo ver fenómenos que hasta ahora solo existían sobre el papel. Mediante una técnica avanzada de microscopía atómica, los científicos del MIT han podido observar cómo los átomos bosónicos tienden a agruparse y cómo los fermiones, por el contrario, se emparejan a corta distancia. Es la primera vez que estas correlaciones cuánticas se visualizan con resolución atómica en un entorno continuo.
Microscopía cuántica: detener el tiempo para ver lo invisible
Uno de los principales retos a la hora de estudiar átomos en libertad es que nunca están quietos. Su movimiento aleatorio y su comportamiento gobernado por la mecánica cuántica hacen que resulte imposible saber con precisión dónde están y cómo se mueven al mismo tiempo. Para resolver este problema, el equipo del MIT desarrolló una técnica que les permite congelar la posición de los átomos durante una fracción de segundo, justo antes de capturar una imagen de alta resolución.
El procedimiento consiste en dejar que una nube de átomos interactúe libremente dentro de una trampa óptica formada por láseres. En el momento exacto del registro, se activa una rejilla de luz —conocida como pinning lattice— que inmoviliza a los átomos en sus posiciones. A continuación, un segundo láser los ilumina brevemente y captura su fluorescencia mediante un sistema de enfriamiento por bandas laterales Raman. Esta combinación permite obtener imágenes individuales de átomos sin perturbar significativamente su configuración original.
Como indican los autores en el artículo, “demostramos la detección con resolución atómica de gases cuánticos itinerantes de bosones ²³Na y fermiones ⁶Li, lo que permite la medición directa in situ de correlaciones entre partículas”.
Bosones: agrupamiento cuántico visible por primera vez
En su primera aplicación, la técnica se empleó para estudiar una nube de átomos de sodio, que son bosones. Los bosones, a diferencia de otros tipos de partículas, tienden a ocupar el mismo estado cuántico. A temperaturas extremadamente bajas, este comportamiento da lugar a un fenómeno conocido como condensado de Bose-Einstein, donde todos los átomos actúan como una única entidad cuántica.
Gracias a la nueva microscopía, se pudo observar con claridad cómo los bosones se agrupan con una mayor probabilidad de encontrarse cerca unos de otros. Este efecto, conocido como “bunching”, había sido predicho desde los tiempos de Louis de Broglie, pero nunca se había visto directamente en tiempo real y en el espacio real. Según los autores, “revelamos la condensación de Bose-Einstein con resolución de un solo átomo”, un logro que marca una diferencia clave respecto a los métodos anteriores de visualización por absorción.
Además, los investigadores midieron el incremento de las correlaciones de segundo orden g(2), que cuantifican la probabilidad de encontrar pares de partículas juntas, y que en el caso de los bosones muestran una clara tendencia al agrupamiento.
Fermiones: la huella del principio de exclusión
El comportamiento de los fermiones, como los átomos de litio-6 utilizados en el experimento, es muy diferente. Estas partículas obedecen el principio de exclusión de Pauli, lo que significa que no pueden compartir el mismo estado cuántico si tienen el mismo espín. En la práctica, esto hace que tiendan a alejarse unos de otros, un fenómeno conocido como “Fermi hole” o hueco de Fermi.
En el experimento del MIT, el equipo utilizó una mezcla equilibrada de dos estados de espín del litio-6. En este contexto, observaron no solo el efecto de repulsión entre partículas de igual espín, sino también la formación de pares entre fermiones de espines opuestos. Esta interacción es fundamental para fenómenos como la superconductividad, y hasta ahora se había inferido indirectamente mediante técnicas espectroscópicas. Ahora, por primera vez, se pudo ver directamente. “Observamos pares de fermiones no locales en el cruce BEC-BCS”, indica el artículo.
La técnica permitió además medir parámetros clave de estos pares: el tamaño del par, la brecha de emparejamiento (pairing gap) y el contacto de corto alcance (short-range contact), todos ellos esenciales para entender la física de los sistemas fuertemente correlacionados.
El continuo cuántico sin red: una diferencia clave
La mayoría de los experimentos anteriores sobre gases cuánticos se realizaban en estructuras reticulares, similares a una red de trampas ópticas regulares. Este diseño facilitaba la captura de los átomos, pero también limitaba su comportamiento natural. La gran novedad del estudio actual es que los átomos interactúan en el “continuo”, es decir, sin un patrón de confinamiento previo, lo que refleja mejor su estado cuántico real.
Los autores explican: “A diferencia de trabajos anteriores con gases atrapados en una red, aquí realizamos microscopía de gases cuánticos en el continuo”. Esta libertad extra permite observar sistemas más complejos, como los que aparecen en la materia condensada o en las fases topológicas, con una fidelidad sin precedentes.
Además de permitir el estudio directo de las correlaciones entre partículas, esta técnica también abre la puerta a medir propiedades termodinámicas como la densidad, la compresibilidad y la presión, todo ello con resolución atómica.
Hacia un mapa detallado del mundo cuántico
Uno de los aspectos más potentes del experimento es que la técnica se puede aplicar a otros sistemas. Los investigadores destacan su potencial para estudiar fases más exóticas, como los gases de fermiones con desequilibrio de espín, mezclas de bosones y fermiones, gases dipolares, o incluso sistemas con características topológicas y superfluidos.
Este tipo de microscopía podría convertirse en una herramienta esencial para la llamada simulación cuántica, una línea de investigación que busca reproducir en laboratorio el comportamiento de materiales complejos mediante átomos fríos. En lugar de construir una teoría desde cero, se construye el sistema cuántico y se lo observa directamente.
Además, los resultados del MIT coinciden con los de otros equipos, como los dirigidos por Wolfgang Ketterle en el propio MIT y Tarik Yefsah en la École Normale Supérieure de París, lo que confirma la robustez y la reproducibilidad de los datos obtenidos. En este sentido, la comunidad científica cuenta ahora con una nueva herramienta para estudiar la materia en su estado más fundamental.
Referencias
- Ruixiao Yao, Sungjae Chi, Mingxuan Wang, Richard J. Fletcher, Martin Zwierlein. Measuring pair correlations in Bose and Fermi gases via atom-resolved microscopy. Physical Review Letters (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.XXX.
