Físicos detectan, uno a uno, los choques atómicos que producen la presión de un gas
Una nanoesfera suspendida con luz láser ha permitido escuchar el «golpeteo» invisible de átomos y moléculas individuales. El avance abre una nueva vía para medir el vacío extremo, explorar la frontera cuántica y buscar partículas aún desconocidas.
Por Enrique Coperías, periodista cintífico
La presión de un gas, observada átomo a átomo
La presión atmosférica es el resultado de una lluvia invisible e incesante. Cada segundo, una cantidad descomunal de moléculas de aire golpea nuestra piel, las paredes de una habitación y cualquier objeto expuesto a la atmósfera. Ninguna de esas colisiones se percibe por separado. Lo que notamos, y lo que registran los instrumentos, es su efecto colectivo: la presión de un gas.
Un equipo de físicos de la Universidad de Yale y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ambos en Estados Unidos, ha conseguido ahora distinguir algunos de esos impactos elementales. Los investigadores han detectado individualmente las colisiones de átomos de criptón y xenón, y de moléculas de hexafluoruro de azufre, contra una diminuta esfera de sílice mantenida en suspensión mediante luz láser.
El trabajo, aceptado para su publicación en Physical Review Letters, convierte un fenómeno cotidiano en una herramienta de extraordinaria precisión. Sus autores sostienen que las fuerzas impulsivas producidas por cada partícula de gas pueden medirse por separado y que la frecuencia de las colisiones proporciona una estimación de la presión.
🗣️ «Es un artículo fantástico —afirma a la revista Science Markus Aspelmeyer, físico cuántico de la Universidad de Viena, en Austria, que no participó en el estudio. Y añade—: Es tecnológicamente muy bello y demuestra el poder de estas nanoesferas atrapadas como sensores».
Una nueva versión del movimiento browniano
El experimento puede entenderse como una versión llevada al límite del movimiento browniano, uno de los fenómenos fundamentales de la física modern. En 1827, el botánico escocés Robert Brown observó que unos diminutos granos de polen suspendidos en agua se movían de manera irregular y permanente. Brown no conocía la causa. Hubo que esperar hasta 1905 para que Albert Einstein explicara que aquel temblor era el resultado de los innumerables choques de las moléculas de agua contra las partículas.
La teoría de Einstein permitió relacionar el movimiento medio de un objeto con su tamaño, la temperatura y la viscosidad del fluido. Fue uno de los trabajos que ayudaron a confirmar la existencia física de átomos y moléculas y a tender un puente entre la termodinámica y la mecánica estadística.
Sin embargo, el tratamiento de Einstein describía el efecto acumulado de una multitud de impactos. No pretendía identificar cada colisión por separado.
¿Qué es el movimiento browniano?
El movimiento browniano es el desplazamiento irregular que experimenta una partícula suspendida en un líquido o un gas debido a las colisiones aleatorias de las moléculas que la rodean. Normalmente se observa como un temblor continuo porque los impactos son demasiado numerosos y débiles para distinguirlos uno a uno.
Una esfera mil veces más fina que un pelo
Los investigadores de Yale han dado ahora ese paso. En lugar de observar un grano de polen dentro de un líquido, emplearon una esfera de sílice de unos 100 nanómetros de diámetro —aproximadamente mil veces más estrecha que un cabello humano— y una masa cercana a un femtogramo, es decir, una milbillonésima de gramo.
La nanoesfera fue introducida en una cámara de vacío y atrapada mediante un láser infrarrojo de 1.064 nanómetros. La luz crea un potencial óptico que mantiene la partícula suspendida y la obliga a comportarse, aproximadamente, como una pelota unida a un muelle invisible. Cuando recibe un empujón, oscila dentro de esa trampa.
Los investigadores midieron ese movimiento analizando la luz reflejada por la esfera. Al cambiar de posición, la partícula altera ligeramente la fase de la onda luminosa reflejada. Una técnica interferométrica supersensible permitió reconstruir esos desplazamientos a una velocidad de cinco millones de mediciones por segundo.
El detector identificó transferencias de momento de entre 200 y 600 kiloelectronvoltios divididos por la velocidad de la luz. Esta unidad expresa el impulso recibido por la esfera, no la energía liberada en la colisión. La resolución obtenida quedó entre cuatro y seis veces por encima del denominado límite cuántico estándar para este tipo de mediciones.
Reflecting light, a levitated nanoparticle appears as a white dot in this photo.Thomas Penny/Yale Wright Lab
Criptón, xenón y hexafluoruro de azufre
Para evitar que una multitud de choques se solapara y volviera a producir el movimiento browniano continuo habitual, el equipo trabajó con un gas extremadamente tenue. La presión dentro de la cámara era inferior a una diezmil millonésima parte de la atmosférica.
Los científicos introdujeron cantidades controladas de tres sustancias:
Criptón: un gas noble con una masa atómica relativamente elevada.
Xenón: otro gas noble, más pesado que el criptón.
Hexafluoruro de azufre o SF₆: una molécula pesada formada por un átomo de azufre y seis de flúor.
Eligieron estas sustancias por su elevada masa, que proporciona a sus partículas un momento mayor y, por tanto, produce golpes algo más fáciles de detectar.
«Escogimos estos átomos porque son pesados, lo que les da un poco más de momento», explica en la revista Science David Moore, físico nuclear y de partículas de Yale y uno de los autores del trabajo.
En función de la dirección del impacto, cada colisión provoca un minúsculo tirón que puede aumentar o reducir la oscilación de la esfera. Pero la nanopartícula también se movía por otras causas: las moléculas residuales de agua e hidrógeno de la cámara, las fluctuaciones del láser, el ruido electrónico e incluso los propios fotones utilizados para sostenerla.
Una técnica inspirada en los detectores de ondas gravitacionales
Para separar los verdaderos choques de ese fondo, el equipo recurrió a una estrategia inspirada en el LIGO, el observatorio que detecta ondas gravitacionales producidas, entre otros fenómenos, por la fusión de agujeros negros, y que está ubicado en Hanford Site (Washington) y Livingston (Luisiana), en Estados Unidos.
En un primer lugar, los físicos aplicaron a la nanoesfera pequeños impulsos eléctricos de intensidad conocida. Estos golpes controlados les permitieron obtener unas plantillas que describían cómo debía responder el sistema ante un impacto auténtico. Después buscaron esa misma firma en los datos mediante un filtro adaptado.
En uno de los registros presentados en el estudio, el dispositivo distingue un impulso eléctrico utilizado para calibrar el detector y, poco después, una posible colisión de un átomo de xenón. Este segundo golpe transfirió un momento de 390 kiloelectronvoltios dividido por la velocidad de la luz, con una incertidumbre de 60.
El resultado no se limita, por tanto, a observar que la esfera se agita más cuando aumenta la cantidad de gas. Los investigadores pueden reconstruir la intensidad de determinados impactos de manera individual.
Contar colisiones para medir la presión
La presión parcial es la contribución de un gas concreto a la presión total de una mezcla. En este experimento, los investigadores la calcularon a partir del número y la distribución de los impactos registrados.
La frecuencia de las colisiones aumentó a medida que se introducía más gas, tal como predice la teoría cinética. Las presiones parciales obtenidas con la nanoesfera coincidieron, dentro de las incertidumbres, con las registradas por un medidor convencional en el intervalo comprendido entre 10⁻⁸ y 10⁻⁷ milibares.
El sistema alcanzó una presión parcial mínima resoluble cercana a 2 × 10⁻⁹ milibares. Sin embargo, los autores reconocen que deberán comprender y reducir mejor algunos sucesos de fondo antes de medir presiones todavía menores.
¿Por qué puede medirse así la presión?
La presión de un gas depende del intercambio de momento producido cuando sus partículas chocan contra una superficie. Si se conoce el tamaño del sensor, la temperatura del gas y la distribución de los impactos, contar esas colisiones permite estimar cuántas partículas hay y qué presión ejercen.
Los impactos revelan cómo es la nanoesfera
La forma del espectro de colisiones también proporciona información sobre lo que ocurre cuando un átomo llega a la superficie de sílice.
Algunas partículas rebotan de manera casi especular, como una pelota contra una pared. Otras permanecen un tiempo extremadamente breve en la superficie, intercambian energía con ella y salen despedidas en una dirección aleatoria. La proporción entre estos comportamientos modifica la distribución de los impulsos detectados.
A partir de esa huella, los físicos estimaron el denominado coeficiente de acomodación térmica, que mide hasta qué punto una partícula de gas intercambia energía con la superficie:
Criptón: 0,55.
Xenón: 0,61.
Hexafluoruro de azufre: 0,82.
Los físicos también establecieron límites superiores para la temperatura superficial de la nanoesfera, situados entre los 334 y 353 grados kelvin —entre unos 61 ºC y 80 °C— según el gas analizado. Los resultados son compatibles con un calentamiento reducido provocado por el láser.
El espectro de colisiones puede funcionar así como un termómetro microscópico y como una sonda de las propiedades de la superficie.
Otro grupo ha seguido un camino diferente
El avance no llega aislado. Otro equipo de investigadores, dirigido por Lukas Novotny, de la Facultad Politécnica Federal de Zúrich, en Suiza, ha presentado un experimento relacionado en Physical Review A.
En ese caso, los investigadores no liberaron una pequeña cantidad de gas dentro de la cámara, sino que lanzaron un haz de átomos de xenón más energéticos contra una nanopartícula atrapada.
«Tenemos una forma controlada de enviar los átomos —ha confesado a Science Maxime Perdriat, primer autor de ese estudio. Su equipo pudo obtener además cierta información sobre la dirección de procedencia de los impactos, una capacidad relevante para buscar partículas que pudieran llegar preferentemente desde determinadas zonas del espacio.
Un posible nuevo patrón para medir el vacío
Una de las aplicaciones más inmediatas del nuevo sensor sería medir presiones extremadamente bajas. En los vacíos más exigentes hay tan pocas partículas que los instrumentos convencionales encuentran dificultades y la propia presión deja de comportarse, en la práctica, como una magnitud perfectamente continua.
Contar directamente las colisiones podría proporcionar una medida basada en sucesos microscópicos. La técnica incluso podría convertirse algún día en un patrón primario de presión, comparable conceptualmente al modo en que los relojes atómicos permiten definir el segundo.
Un patrón primario no puede depender de la calibración previa con otro manómetro. También debe contar con incertidumbres bien determinadas y recibir el respaldo de la comunidad metrológica internacional.
Daniel Barker, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos, advierte en Science de que el sistema aún está lejos de cumplir todos los requisitos metrológicos y de recibir aceptación internacional. Pero considera que los elementos esenciales ya están presentes: «Miras este artículo y, en cierto modo, está todo ahí».
KATRIN scientists test the system of magnets that control the fields inside the spectrometer.
Image courtesy of Markus Breig, KIT
Poner a prueba la frontera de la mecánica cuántica
Detectar colisiones individuales también puede ayudar a determinar qué grado de vacío necesitan algunos de los experimentos más ambiciosos de la física cuántica.
Los investigadores tratan de preparar partículas levitadas cada vez mayores en estados de superposición cuántica, en los que un mismo objeto puede describirse como si ocupara dos posiciones al mismo tiempo. Estos estados son extremadamente frágiles.
El choque de una sola molécula residual puede obtener información sobre la localización del objeto y destruir la superposición. Este proceso se denomina decoherencia cuántica.
«Las colisiones con átomos o moléculas que permanezcan en la cámara de vacío provocarían el colapso de ese estado», explica Aspelmeyer. Experimentos como el de Yale permitirán calcular qué nivel de vacío se necesita para conservar una superposición durante el tiempo suficiente para medirla.
La detección individual de los impactos ofrece una ventaja: permite estudiar directamente el mecanismo microscópico de la decoherencia, en lugar de limitarse a estimar su efecto medio.
De los neutrinos a la materia oscura
La nanoesfera podría convertirse, además, en un detector de fenómenos aún más esquivos. Moore planea incorporar flúor-18, un isótopo radiactivo capaz de capturar un electrón y emitir un neutrino.
Recordemos que los escurridizos neutrinos apenas interactúan con la materia y son extraordinariamente difíciles de detectar. Sin embargo, al escapar del flúor-18 deberían producir un retroceso diminuto de la nanopartícula. Si el sensor registra ese empujón, los investigadores podrían obtener información sobre la masa del neutrino.
La técnica también podría ayudar a comprobar si un neutrino ordinario puede transformarse en un hipotético neutrino estéril. Esta partícula no descubierta es uno de los candidatos propuestos para explicar, al menos parcialmente, la materia oscura invisible que domina la masa del universo.
«Todo el mundo necesita su programa de investigación singular, y creo que Dave ha encontrado uno absolutamente impresionante», concluye Aspelmeyer en declaraciones a Science.
Qué falta por resolver
El experimento constituye una prueba de concepto, no un instrumento listo para convertirse en patrón internacional ni en detector de nuevas partículas.
Los investigadores tendrán, entre otros retos, que:
✅ Reducir e identificar mejor los sucesos de fondo.
✅ Mejorar la precisión con la que se mide el movimiento.
✅ Determinar con mayor exactitud el tamaño y el área de la nanoesfera.
✅ Detectar impulsos más débiles producidos por gases ligeros.
✅ Alcanzar presiones aún más bajas.
✅ Confirmar el rendimiento del método con distintas nanopartículas.
Una de las principales incertidumbres procede precisamente del área de la esfera, conocida con una precisión aproximada del 10 %. El medidor convencional utilizado para comparar los resultados presenta, por su parte, una incertidumbre sistemática común cercana al 30 %.
Pese a estas limitaciones, el experimento demuestra que un sistema mecánico relativamente grande puede percibir el impacto de partículas cuya masa es alrededor de diez millones de veces inferior a la suya.
Durante dos siglos, el movimiento browniano permitió inferir el bombardeo invisible de los átomos a partir del temblor colectivo que producían. La nueva generación de sensores optomecánicos empieza a separar ese murmullo en golpes individuales. Y esos golpes, nacidos del mismo mecanismo que sostiene la presión del aire, podrían revelar cómo desaparece un estado cuántico o si el universo alberga partículas que todavía no hemos descubierto.▪️(12-septiembre-2026)
⏱️ LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- Los físicos han detectado colisiones individuales de átomos y moléculas contra una esfera de sílice de solo 100 nanómetros.
- La frecuencia de los impactos permite calcular la presión parcial de un gas.
- La intensidad de cada golpe revela información sobre la temperatura y la superficie de la nanopartícula.
- La técnica podría ayudar a estudiar la decoherencia cuántica, establecer un nuevo patrón de presión y buscar neutrinos estériles o materia oscura.
- El experimento ha sido realizado por investigadores de la Universidad de Yale y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en Estados Unidos.
Fuente: Yu-Han Tseng et al. Optomechanical Detection of Individual Gas Collisions. arXiv (2026). DOI:
https://doi.org/10.48550/arXiv.2604.18371
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