Físicos de Cambridge fotografían las huellas de una maraña de remolinos filiformes y microscópicos en una nube de potasio enfriada casi hasta el cero absoluto. Al cabo de un segundo apenas quedaba rastro de los remolinos, que se desvanecían a medida que el gas recuperaba el orden cuántico.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Un vórtice cuántico se perfila como un hilo de plata en esta recreación artística. En el experimento de Cambridge, una maraña de estos remolinos se fue deshaciendo mientras la nube de potasio ultrafrío recuperaba el orden cuántico. Ilustración generada con IA / RexMolón Producciones
En el primer mosaico hay tantos trazos oscuros que cuesta distinguirlos. En el segundo ya quedan muchos menos. En el tercero, que reúne imágenes tomadas tras un segundo de evolución, apenas se distinguen. Cada trazo delata un remolino en una nube de átomos de potasio. La cámara capta el tramo de filamento que cruza una fina sección de la nube.
Un equipo de físicos del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, ha aprovechado esas huellas para observar por primera vez de forma directa, en un gas atómico tridimensional, cómo se extingue la llamada turbulencia de Vinen o ultracuántica. Los detalles de este apasionante trabajo aparecen recogidos en el último número de la revista Physical Review Letters.
Qué es la turbulencia ultracuántica
Al remover el café, la cucharilla pone en marcha una corriente que arrastra buena parte del líquido. En la turbulencia ordinaria, el movimiento a gran escala puede alimentar remolinos cada vez más pequeños. En el régimen de Vinen, en cambio, domina una maraña de filamentos orientados al azar, sin una corriente apreciable a la escala del conjunto. Y cada hilo obedece una regla cuántica.
Imaginemos que damos una vuelta completa alrededor del núcleo del remolino. Si sumamos, tramo a tramo, la parte de la velocidad del gas que apunta en la dirección del recorrido, obtenemos una medida de cuánto gira el fluido alrededor del núcleo. Los físicos la llaman circulación.
En un gas cuántico, esta magnitud toma valores separados, como los peldaños de una escalera. Un vórtice elemental tiene la unidad más pequeña de circulación, cuyo valor depende de la masa del átomo de potasio y de la constante de Planck, que marca la escala de los fenómenos cuánticos. El giro deja una huella visible. En el centro del remolino hay tan pocos átomos que el núcleo aparece como un trazo oscuro en la imagen.
Arriba, cinco cortes de una nube de potasio ultrafrío muestran su evolución hacia el equilibrio. A partir de unos 80 milisegundos, los vórtices se distinguen como trazos oscuros. Su aparición coincide aproximadamente con el inicio del tramo recto de la gráfica inferior, cuando el cuadrado de la longitud de coherencia aumenta a un ritmo constante. Esa longitud indica hasta qué distancia se mantienen acompasadas las ondas cuánticas del gas. Cortesía: Sebastian J. Morris y colaboradores, Physical Review Letters (2026).
Cómo se fotografiaron los remolinos en potasio ultrafrío
Para producir la maraña, Sebastian J. Morris y sus colegas confinaron átomos de potasio-39 en una trampa de luz cilíndrica de unos 47 micrómetros de diámetro y 52 de largo. A la densidad del experimento, la temperatura crítica para que el gas se condense ronda los 70 nanokelvin, apenas 70 milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto (-273,15 ºC). A esas temperaturas, muchos átomos pueden compartir un mismo estado cuántico y comportarse como una onda de materia común. Es lo que se conoce como un condensado de Bose-Einstein.
El equipo partió de un condensado y lo perturbó hasta deshacer su coherencia, aunque el gas conservaba una energía lo bastante baja como para volver a condensarse en parte. Las interacciones entre átomos, inicialmente anuladas, se activaron para poner en marcha ese retorno al equilibrio.
En los primeros instantes del proceso, las imágenes solo mostraban pequeñas fluctuaciones de densidad. En una de las series, al cabo de unos 80 milisegundos, ya se distinguían vórtices bien definidos. Su aparición coincidía aproximadamente con el comienzo de una etapa en la que la coherencia se extendía por la nube a un ritmo predecible.
Una sección de la nube revela los filamentos
Para verlos, los físicos ampliaron unas tres veces y media la distribución del gas en dos direcciones mediante una lente para ondas de materia. Después registraron una sección central de unos 15 micrómetros de grosor.
Al fotografiar la nube entera, los átomos situados por delante y por detrás de los vórtices borraban el contraste. «Se ven esos huecos, las huellas de las líneas de vórtice al serpentear dentro y fuera del corte fotografiado», explica Morris en la revista New Scientist. Cada imagen correspondía a una nueva preparación del gas. Para comparar distintos momentos, los autores reunieron mosaicos de 144 tomas por cada tiempo de espera.
Qué midió el experimento y por qué encaja con la ley de Vinen
El paso decisivo fue convertir aquellos trazos oscuros en una medida de la turbulencia. A partir del número de huellas y de las dimensiones del corte fotografiado, los investigadores estimaron cuánto medirían, puestos en fila, todos los tramos de vórtice contenidos en una porción de gas. Esa longitud por unidad de volumen es lo que los físicos llaman densidad de líneas de vórtice.
Cuanto más tupida era la maraña, más oportunidades tenían los remolinos de interactuar. Y el efecto crecía deprisa. Según el estudio, si en el mismo volumen había el doble de longitud de filamento, las interacciones entre los vórtices hacían que esa longitud disminuyera cuatro veces más deprisa. Cuando apenas quedaban remolinos, el ritmo de desaparición seguía otra pauta. Los datos encajan con la posibilidad de que los últimos vórtices se extinguieran uno a uno al llegar a las paredes de la trampa.
El potasio y el helio superfluido siguen una pauta parecida
Los investigadores repitieron la prueba con tres intensidades de interacción entre los átomos. Las más débiles retrasaron la aparición de vórtices bien definidos. Una vez formados, el coeficiente que gobierna su desaparición colectiva fue el mismo dentro de la precisión experimental. Los autores destacan que, al tener en cuenta la distinta masa de las partículas, el valor del coeficiente es similar al medido en helio superfluido.
El parecido sorprende, porque los átomos del helio líquido interactúan con fuerza, mientras que la nube de potasio es un gas diluido y fácil de comprimir. A escalas mucho mayores que el núcleo de un vórtice, el movimiento del gas encaja con el de un fluido prácticamente incompresible.
El helio había dado ya una pista decisiva. En 2008, los físicos Paul Walmsley y Andrei Golov, de la Facultad de Física y Astronomía, en la Universidad de Mánchester (Reino Unido), publicaron un experimento en el que generaron marañas de vórtices en helio superfluido con un flujo global muy débil.
Walmsley y Golov encontraron que la densidad de líneas disminuía aproximadamente como el inverso del tiempo, la pauta que se obtiene de la ley de Vinen cuando domina el decaimiento colectivo. Aquella medición era indirecta. En el gas de Cambridge, la pérdida de longitud se deduce de marcas visibles en el propio fluido.
Y en 2016 George William Stagg, Nick Parker y Carlo Barenghi, de la Universidad de Newcastle, en el Reino Unido, simularon qué ocurriría si un gas cuántico homogéneo se dejaba evolucionar desde un estado muy alejado del equilibrio. En el ordenador surgió una maraña desordenada, con propiedades similares a las de la turbulencia ultracuántica del helio. Quedaba por comprobar si los filamentos de un gas real seguirían esa pauta.
Los trazos y puntos oscuros de la ilustración representan las huellas de los vórtices en una fina sección del gas. Allí donde un filamento atraviesa el corte observado hay menos átomos de potasio que a su alrededor. Ese contraste permitió a los físicos distinguir los remolinos. Ilustración generada con IA / RexMolón Producciones
Qué revela la maraña sobre el orden cuántico
En 2025, Gevorg Martirosyan y varios de los autores del nuevo trabajo publicaron en Nature un resultado que ahora cobra sentido a la luz de las imágenes. Midieron hasta qué distancia dos regiones de la nube podían mantener acompasadas sus ondas cuánticas. Esa distancia, llamada longitud de coherencia, iba creciendo a medida que el gas se acercaba al equilibrio. Llegado un punto, el crecimiento seguía la misma ley aunque los investigadores cambiaran la intensidad con la que interactuaban los átomos.
La distancia aumentaba cada vez más despacio. Lo que crecía en la misma cantidad durante cada intervalo de tiempo era su cuadrado. Los investigadores sospechaban que esa pauta estaba ligada a la desaparición de los vórtices. Las nuevas imágenes apoyan esa idea. A medida que la maraña se deshace, los filamentos que quedan están, en promedio, más separados. Al mismo tiempo, las ondas del gas se mantienen acompasadas a distancias cada vez mayores.
Ese mismo año, otro experimento abordó el problema desde el extremo opuesto, siguiendo un solo filamento. En Nature Physics, un equipo dirigido por Yosuke Minowa utilizó una nanopartícula cargada para excitar ondas de Kelvin, ondulaciones en forma de hélice que recorren el núcleo del remolino, y reconstruyeron su movimiento en tres dimensiones. El trabajo se publicó en Nature Physics.
Minowa y su equipo reconstruyeron esas deformaciones en tres dimensiones. El trabajo muestra hasta qué punto es posible hoy examinar lo que ocurre en un solo remolino, mientras que las imágenes del potasio permiten seguir el destino estadístico de toda una población.
Entre ambas escalas queda una pregunta flotando en el aire. Las imágenes de Cambridge muestran fragmentos de filamento, y cada corte procede de una nube distinta. Para seguir la geometría de la maraña, los autores plantean fotografiar varios cortes de una misma nube y reconstruirla en tres dimensiones. También quieren explorar los primeros instantes, cuando las fluctuaciones de densidad todavía impiden distinguir los remolinos. Ahí empieza la parte de la historia que falta por ver, entre el gas recién perturbado y la aparición de los primeros hilos oscuros.▪️(10 de noviembre de 2026)
Preguntas frecuentes sobre la turbulencia ultracuántica
Qué vieron los físicos en una nube de potasio ultrafrío y qué revelan los remolinos sobre cómo el gas recupera el orden cuántico.
¿Es lo mismo la turbulencia cuántica que la turbulencia ultracuántica?
La turbulencia cuántica engloba distintos regímenes de flujo irregular en fluidos cuánticos. La ultracuántica, o de Vinen, es uno de ellos. Se caracteriza por una maraña de vórtices orientados al azar y un flujo global muy débil.
¿Se había detectado antes la turbulencia de Vinen?
Sí. Experimentos con helio superfluido ya habían medido indirectamente su decaimiento. La novedad de Cambridge es la observación directa de las huellas de los vórtices y la medición de cómo decae la maraña en un gas atómico tridimensional.
¿Las imágenes muestran la maraña completa en tres dimensiones?
Cada imagen muestra una sección de un gas tridimensional. La evolución se reconstruyó comparando muchas tomas de nubes preparadas en las mismas condiciones. Obtener varios cortes simultáneos permitiría reconstruir la geometría de una misma maraña.
¿Qué tiene que ver la desaparición de los vórtices con el condensado de Bose-Einstein?
En el experimento, a medida que la maraña pierde densidad, la separación típica entre los vórtices aumenta. Al mismo tiempo, las ondas cuánticas del gas se mantienen acompasadas a distancias cada vez mayores. Los investigadores relacionan así la desaparición gradual de los remolinos con el crecimiento de la coherencia del condensado.
Fuente: Morris, Sebastian et al. Observation of Vinen Turbulence during Far-from-Equilibrium Bose-Einstein Condensation. Physical Review Letters (2026). DOI: https://link.aps.org/doi/10.1103/lywd-gjg9
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