Cómo crear partículas de la nada en laboratorio: físicos simulan el efecto túnel en un superfluido bidimensional
Hace casi 75 años, Julian Schwinger imaginó que el vacío podía dar lugar a partículas gracias a un campo eléctrico imposible de reproducir en la Tierra. Ahora, un equipo canadiense ha encontrado en el helio superfluido un análogo experimental que acerca este misterio cuántico al laboratorio.
Enrique Coperías
Representación artística del helio superfluido como análogo del vacío cuántico: de la lámina emergen pares de vórtices y antivórtices, remolinos que evocan cómo podría formarse materia de la nada en laboratorio. Imagen generada con DALL-E
En 1951, el físico teórico estadounidense Julian Schwinger lanzó una predicción que parecía sacada de una novela de ciencia ficción: un campo eléctrico lo bastante intenso podría arrancar partículas de la nada, generando pares electrón-positrón en el vacío cuántico gracias al llamado efecto túnel.
Recordemos que este último es un fenómeno de la mecánica cuántica en el que una partícula subatómica, como un electrón, puede atravesar una barrera de energía que, según la física clásica, sería imposible de superar. Es como si una pelota lanzada contra una pared pudiera, de repente, aparecer al otro lado sin haber saltado por encima de ella ni haberla atravesado por un agujero.
El fenómeno de los pares electrón-positrón, que recibió el nombre de efecto Schwinger, nunca se ha observado de forma directa, ya que exigiría manejar campos de una intensidad casi inimaginable, del orden de 10^18 voltios por metro, muy por encima de lo que permiten los laboratorios actuales de física de altas energías.
La propuesta de la UBC: helio superfluido como análogo del vacío
Ante esa imposibilidad, un grupo de físicos teóricos de la Universidad de la Columbia Británica (UBC), en Canadá, ha desarrollado una vía alternativa para acercarse a esta frontera de la física cuántica. Su propuesta, publicada en la revista PNAS, reemplaza el vacío por una película ultrafina de helio-4 superfluido, un fluido cuántico que a temperaturas próximas al cero absoluto fluye sin fricción; y el campo eléctrico, por un flujo superfluido dentro del propio material.
En ese entorno, según el modelo, no surgen pares de electrones y positrones, sino pares de vórtices y antivórtices que emergen de manera espontánea y giran en sentidos opuestos.
«El helio-4 superfluido es una maravilla —afirma Philip Stamp, especialista en materia condensada y gravedad cuántica y autor principal del trabajo. Y añade—: En unas pocas capas atómicas y a temperaturas muy bajas, se convierte en una especie de vacío sin fricción. Cuando lo hacemos fluir, no aparecen electrones, sino remolinos cuánticos que nacen en pareja».
Implicaciones para la cosmología y la física cuántica
La analogía va más allá de lo anecdótico. El modelo matemático desarrollado por Stamp y su colega Michael Desrochers describe de forma precisa cómo se forman los pares de vórtices a partir del flujo del superfluido, un proceso análogo al túnel cuántico en el vacío.
En lugar de necesitar gigantescos aceleradores de partículas, este planteamiento abre la posibilidad de explorar en laboratorio fenómenos imposibles de reproducir directamente asociados al vacío cuántico, al origen del universo o a los agujeros negros.
«Creemos que la película de helio-4 ofrece un buen análogo de varios fenómenos cósmicos—señala Stamp—. Son procesos a los que no podemos acercarnos directamente, pero aquí tenemos un sistema real que podemos manipular y medir».
La masa variable de los vórtices, un valioso hallazgo
El estudio también cambia la forma de entender los superfluidos, un estado de la materia en el que un líquido, al enfriarse casi hasta el cero absoluto, pierde completamente la viscosidad: fluye sin fricción, puede trepar por las paredes de un recipiente y moverse indefinidamente sin perder energía. Hasta ahora, la mayoría de trabajos habían tratado la masa de los vórtices como una constante.
Sin embargo, el equipo canadiense demuestra que esa masa varía de manera drástica a medida que los vórtices se desplazan, lo que obliga a replantear su dinámica tanto en fluidos cuánticos como en contextos cosmológicos.
«Resulta apasionante comprender cómo y por qué cambia esa masa variable, y qué impacto tiene en los procesos de túnel cuántico, presentes en la física, la química y la biología», apunta Desrochers.
Más allá de la analogía: nuevas vías de investigación
Stamp va incluso más lejos: si la masa variable se da en los vórtices del helio, también debería ocurrir con los pares electrón-positrón del efecto Schwinger. Esto implicaría que la teoría original de Schwinger necesitaría revisarse, en lo que el investigador denomina con ironía la venganza del análogo.
Más allá de la analogía cósmica, el trabajo abre nuevas vías para explorar transiciones de fase cuánticas fuera del equilibrio, excitaciones topológicas o fenómenos de coherencia emergente en materiales cuánticos. Su valor reside tanto en ofrecer un marco experimental accesible para fenómenos tradicionalmente inalcanzables como en ampliar la comprensión de la materia en condiciones extremas.
El proyecto, financiado por el Consejo Nacional de Investigación en Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá, ilustra la fertilidad del cruce entre física de partículas y materia condensada.
«Estos no son solo modelos comparativos —insiste Stamp—. Se trata de sistemas físicos reales en los que podemos experimentar». Esa posibilidad, sumada a la reinterpretación de un efecto cuántico fundamental, convierte al trabajo del equipo de la UBC en un hito que acerca un poco más la frontera entre lo teórico y lo observable en la física cuántica. ▪️
Información facilitada por la Universidad de la Columbia Británica
