¡Haciendo a la Materia Invisible!

^{Imagen: Pixabay}

Por Inés Urdaneta / Física e investigadora de Resonance Science Foundation

Mediante la manipulación de las propiedades cuánticas de los átomos, científicos del MIT lograron impedir que una muestra de átomos de litio (⁶Li) dispersara la luz, ¡convirtiéndola en invisible! En otras palabras, se suprimió la capacidad de estos átomos de dispersar la luz ...

Este efecto se predijo teóricamente hace 30 años, y es un ejemplo de un fenómeno llamado bloqueo de Pauli, basado en el principio de exclusión de Pauli, por el que se prohíbe a los electrones de los átomos ocupar el mismo estado cuántico. En condiciones estándar, los electrones de un átomo están dispuestos y localizados de tal manera que se distinguen unos de otros; no pueden superponerse. Esta es una propiedad de las partículas fermiónicas; todas tienen estados cuánticos diferentes (identificados por números cuánticos) y por eso son distinguibles.

Si los electrones de un átomo fueran personas alojándose en una habitación de hotel, cada persona se identificaría con 4 números (los cuatro números cuánticos): el primero representaría el piso del hotel, el segundo la habitación del piso, el tercero la cama de la habitación y el cuarto indentificador sería uno de los dos lugares posibles en la cama. Una pareja puede tener los tres primeros números idénticos, lo que significa que se alojan en la misma planta, habitación y cama, pero el cuarto número sería diferente. Si el cuarto número fuera igual, se trataría de la misma persona, o ambas personas estarían completamente superpuestas y, por tanto, serían indistinguibles la una de la otra. Este último caso ocurre con las partículas de luz llamadas fotones, que pueden superponerse. Pero la materia (electrones y átomos) no puede superponerse. 

"Como los asistentes a un concierto en un estadio, cada electrón ocupa una sola silla y no puede bajar a una grada inferior si todas sus sillas están ocupadas. Esta propiedad fundamental de la física atómica se conoce como principio de exclusión de Pauli, y explica la estructura de las capas de los átomos, la diversidad de la tabla periódica de los elementos y la estabilidad del universo material." -Jennifer Chu

Los átomos tienen niveles de energía permitidos con orbitales ocupados por electrones. Un nivel de energía sería el piso en el ejemplo del hotel citado anteriormente. Un nivel de energía tiene grupos de orbitales, que serían las habitaciones del piso, y los orbitales de cada grupo (las camas de una habitación) pueden ser ocupados como máximo por dos electrones con espines o rotaciones opuesta -que sería el equivalente a los dos posibles lugares en una cama- para preservar el principio de exclusión de Pauli que garantiza que los electrones permanezcan distinguibles. Basándose en esta característica, los átomos y los elementos tienen distribuciones particulares de electrones que son específicas de cada átomo, y la diversidad de la tabla periódica de elementos se explica por ello.

Cuando la luz se encuentra con estos átomos, generalmente los fotones de luz y los átomos rebotan, como bolas de billar, y los fotones imparten parte de su momento (energía cinética) a los átomos, con una pérdida parcial de su propia energía. Con el impacto, los fotones también se desvían en todas las direcciones, irradiando luz a su alrededor, como se muestra en la figura de abajo con las flechas rojas curvas. Esto hace que el gas sea visible, al igual que se ven las motas de polvo cuando la luz atraviesa un volumen de espacio aparentemente vacío.

¿Qué pasaría si los átomos estuvieran casi completamente congelados y se apretujaran en un espacio lo suficientemente reducido? Entonces los átomos se comportarían como electrones en niveles de energía empaquetados o cáscaras, sin espacio para cambiar su velocidad, o posición. En tales circunstancias, si la luz entrara, no podría dispersarse,

^{Figura tomada del. preprint original.}

En el experimento, hay un gas degenerado de átomos de Litio extremadamente frio donde la energía cinética de los átomos permanece confinada en un rango con energía cinética máxima llamado energía de Fermi -en referencia a los metales, donde sólo los electrones con esta cantidad de energía cinética son libres de moverse en el metal e interactuar con la luz-. El gas es irradiado con un láser, y la diferencia de energía cinética entre el fotón incidente y el fotón disperso, que en este caso se denota con la letra q, correspondería a la energía cinética que adquirirían los átomos durante el impacto con los fotones. Como explica Ketterle, un átomo sólo puede dispersar un fotón si puede absorber la fuerza del impacto de los fotones desplazándose a otro lugar. Si todos los demás lugares donde el átomo puede moverse están ocupados, ya no puede absorber el impacto y dispersar el fotón; los átomos se vuelven transparentes.

Los investigadores del MIT han observado por primera vez este bloqueo de Pauli, que se produce cuando los átomos se enfrían y se apretujan entre ellos de forma extrema, lo que significa que las partículas tienen efectivamente menos espacio para dispersar la luz, por lo que si el enfriamiento para crear la densidad de átomos necesaria es lo suficientemente alto, los fotones pasan sin ser dispersados. La muestra se vuelve entonces transparente a la luz y, por tanto, invisible.

_{RSF en perspectiva}

Este es un buen ejemplo de la combinación e intercambio de comportamientos entre la luz y la materia. Es como si el enfriamiento y la compresión de los átomos borrara gradualmente su "individualidad" y, por tanto, una de las principales características del mundo material, que es la interacción con la luz, se hubiera suprimido, por lo que "dejamos" de verla. Los átomos son empujados a la indistinción, por así decirlo.

En el marco de la teoría holográfica generalizada, un electrón no es una entidad separada que ocupa un orbital, sino que es un campo de carga resultante de la dinámica del protón y que llamamos orbital. El módulo 7, sección 7.1 El electrón en el marco del modelo holográfico generalizado de nuestro curso gratuito de ciencia unificada, da una explicación detallada del modelo para el electrón enlazado en el átomo de hidrógeno de Bohr.  Curso gratuito en es.resonancescience.org.

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https://scitechdaily.com/mit-physicists-use-fundamental-atomic-property-to-turn-matter-invisible/