Crean un «cable cuántico» sin pérdidas: un gas ultrafrío que transporta masa y energía con eficiencia perfecta
Un equipo de físicos ha logrado que un gas ultrafrío de átomos fluya sin fricción, como si fuera un conductor ideal. El experimento demuestra por primera vez un transporte de masa y energía sin pérdidas en un sistema cuántico real.
Por Enrique Coperías
Ilustración de un experimento con átomos ultrafríos en un canal unidimensional, similar al utilizado por el equipo de laTU Wien para demostrar un cable cuántico capaz de transportar masa y energía sin pérdidas. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón-Producciones
En un laboratorio de Viena, un grupo de físicos ha construido lo más parecido a un cable cuántico que existe hoy en día: un gas ultrafrío de átomos confinados en un hilo unidimensional por el que la masa y la energía fluyen sin fricción apreciable. Un conductor perfecto, pero no para electrones, como ocurre en un superconductor, sino para un fluido cuántico de átomos de rubidio enfriados hasta unas pocas decenas de nanokelvin, es decir, apenas unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto (−273,15 °C).
La investigación, realizada en el Vienna Center for Quantum Science and Technology y liderada por Philipp Schüttelkopf y Frederik Møller, demuestra por primera vez la medida directa de un parámetro fundamental en la física del transporte: los pesos de Drude, los coeficientes que cuantifican cuánta corriente perfecta puede transportar un sistema sin disipación. Hasta ahora eran, en buena medida, una herramienta teórica difícil de verificar experimentalmente.
Según el artículo, publicado en la revista Science, estos gases cuánticos unidimensionales pueden funcionar como auténticos canales balísticos: la masa y la energía fluyen a lo largo del sistema con una disipación prácticamente nula, incluso a temperaturas finitas y en presencia de interacciones entre partículas. El resultado valida una predicción esencial de la hidrodinámica generalizada (GHD), el marco teórico que en los últimos años ha revolucionado la comprensión de los sistemas integrables.
🗣️ «En principio, existen dos tipos muy distintos de fenómenos de transporte. Hablamos de transporte balístico cuando las partículas se mueven libremente y recorren el doble de distancia en el doble de tiempo, como una bala que viaja en línea recta —dice Møller. Y añade—: Este tipo de transporte no es lineal. Para recorrer el doble de distancia, normalmente se necesita cuatro veces más tiempo».
En palabras de este físico, «nuestros resultados muestran un transporte casi completamente disipadamente libre, incluso con interacciones fuertes y temperaturas finitas».
Un laboratorio para ver la física unidimensional en acción
El experimento requería una pieza clave: un Atom Chip, un microchip que genera trampas magnéticas extremadamente estrechas para atrapar átomos en forma de cigarro muy alargado. El confinamiento transversal es tan intenso —1,38 kHz, según los datos experimentales— que los átomos quedan efectivos en un solo eje, el eje z del sistema .
Una vez atrapados, los físicos enfrían decenas de miles de átomos de rubidio a temperaturas entre 10 y 50 nanokelvin, muy por debajo de un microkelvin y que equivalen prácticamente a −273,15 °C, es decir, apenas unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto. En estas condiciones, el gas entra en el régimen de cuasicondensado, una fase cuántica donde las fluctuaciones de fase dominan y la interacción entre partículas es intensa.
El sistema, en la práctica, reproduce el modelo teórico de Lieb-Liniger, uno de los sistemas integrables por excelencia en física cuántica. En él, las excitaciones del sistema —en lugar de ser partículas individuales— son cuasipartículas que se comportan como entidades colectivas con vida infinita: no se dispersan, no se frenan, no chocan de manera caótica. Ese carácter integrable es lo que permite que existan corrientes balísticas persistentes.
Para manipular la forma del potencial en el que se mueve el gas, los investigadores utilizan un dispositivo de microespejos digitales (DMD), similar a los que se usan en los proyectores. Con él, pueden modelar un paisaje óptico unidimensional a voluntad: un cajón de 100 micras de largo, un escalón de potencial o una rampa de energía que imita un campo eléctrico.
El Atom Chip, con los átomos atrapados y levitados justo debajo de su superficie. Cortesía: TU Wien.
¿Qué son los pesos de Drude y por qué importan?
En un material, la conductividad describe cómo responde un sistema cuando se le aplica un campo externo. Pero la parte más singular —y más interesante— de la conductividad aparece en forma de un pico en frecuencia cero. Ese pico se conoce como peso de Drude, y es la firma inequívoca de un transporte balístico: sin rozamiento, sin pérdidas.
En los metales convencionales, ese peso está relacionado con la densidad de electrones móviles. En un aislante es cero. Y en superconductores, es enorme.
Pero hasta ahora nadie había conseguido medir ese parámetro directamente en un sistema cuántico unidimensional donde la teoría predice transporte ideal debido a la integrabilidad. En lugar de electrones, aquí los portadores son átomos neutros que se comportan como un fluido cuántico.
La teoría dice que si al sistema se le aplica una perturbación suave —una fuerza constante muy pequeña, o un desequilibrio minúsculo entre dos mitades del gas— se debe observar una corriente que crece indefinidamente durante el tiempo en que la integrabilidad se mantiene. La velocidad de ese crecimiento es, precisamente, el peso de Drude.
Primer protocolo: empujar el gas con una fuerza constante
El primer método empleado por el equipo consistr en lo más parecido a inclinar el suelo por el que se desplaza un fluido: crear un potencial lineal a lo largo del gas, de manera que aparezca una fuerza constante sobre los átomos.
Antes del empujón, el gas estaba en una superficie completamente nivelada. En el instante inicial, los investigadores inclinaron ligeramente ese paisaje energético, como si levantaran un extremo del suelo, creando una fuerza constante que empuja a los átomos en una dirección.
La respuesta se mide observando cómo crece con el tiempo el desequilibrio entre la cantidad de átomos en la mitad izquierda y la derecha del sistema. El crecimiento es parabólico para el desequilibrio y lineal en el tiempo para la corriente, justo como predice la teoría de conductores perfectos.
«Como la corriente crece de manera perfectamente proporcional al tiempo, basta con dividir el cambio en el número de átomos por el tiempo transcurrido para saber cuánta corriente está fluyendo», explican los autores en el artículo.
🗣️ «Estudiando la corriente atómica, pudimos ver que la difusión queda prácticamente completamente suprimida. El gas se comporta como un conductor perfecto; aunque entre los átomos se producen innumerables colisiones, magnitudes como la masa y la energía fluyen libremente, sin disiparse en el sistema», explica Møller.
El resultado es claro: cuanto mayor es la densidad promedio de átomos, mayor es la corriente balística; cuanto mayor es la fuerza aplicada, más rápido crece el flujo. Y todo ello sin señales apreciables de disipación en las escalas de tiempo accesibles al experimento.
Frederik Møller, Philipp Schüttelkopf y Jörg Schmiedmayer, en su laboratorio de la Universidad Técnica de Viena. Credit: TU Wien
Segundo protocolo: unir dos mitades con densidades distintas
El segundo método es conceptualmente más próximo a conectar dos depósitos a distinta presión mediante un tubo. Los experimentadores crearon un cajón con un escalón de potencial: a un lado, el gas tiene una densidad mayor (mayor potencial químico); al otro, una densidad menor.
Cuando se elimina el escalón, las dos mitades se igualan enviando dos ondas de materia que se propagan en sentidos opuestos desde la frontera inicial. La teoría de la hidrodinámica generalizada predice que, al cabo de unos milisegundos, el sistema alcanza un estado casi estable cuya forma depende únicamente de cómo avanza el tiempo y de dónde se mire, una especie de fotografía en cámara lenta del flujo balístico.
Medir la corriente en este escenario es más difícil que en el primer protocolo, porque solo se mide la densidad de átomos, no la velocidad. Para resolverlo, el equipo utiliza una herramienta emergente: una red neuronal informada por física (PINN, por sus siglas en inglés). La red, entrenada con la ecuación de continuidad de masa y energía, recrea los perfiles de corriente que no pueden medirse directamente.
«Los átomos de nuestro sistema solo pueden colisionar en una única dirección. Sus momentos no se dispersan, sino que simplemente se intercambian entre las partículas que colisionan. El momento de cada átomo se conserva: solo puede transmitirse, nunca perderse», comenta Møller.
Resultado: un transporte cuántico casi perfecto
Con las dos metodologías, los investigadores obtienen valores consistentes del peso de Drude asociado tanto al transporte de partículas (Dₙₙ) como al transporte de energía (Dₙε). Los resultados se presentan comparados con las predicciones teóricas.
El hallazgo principal es que Dₙₙ escala linealmente con la densidad atómica: más átomos, más transporte balístico. Esta relación tan simple es sorprendente dada la presencia de interacciones, pero la teoría explica que el acoplamiento al potencial externo afecta por igual a todas las cuasipartículas del sistema, independientemente de la intensidad de las colisiones internas.
En cuanto al transporte de energía, los valores experimentales también siguen de cerca las predicciones teóricas, aunque se observa una ligera desviación sistemática atribuida a imperfecciones ópticas en los potenciales creados con el DMD, tal como se discute en el artículo.
Los datos muestran que estas discrepancias no dependen ni de la temperatura ni de la intensidad de la perturbación, lo que confirma que el sistema opera realmente en un régimen lineal y que, dentro del rango ultrafrío utilizado, la temperatura es irrelevante para el transporte balístico.
🗣️ «Estos resultados muestran por qué una nube atómica así no se termaliza —por qué no distribuye su energía según las leyes habituales de la termodinámica. Estudiar el transporte en condiciones tan perfectamente controladas podría abrir nuevas vías para entender cómo aparece, o desaparece, la resistencia a nivel cuántico», dice Møller.
Un paso adelante para la hidrodinámica cuántica
Aunque el experimento se realiza con átomos neutros, sus implicaciones se extienden a materiales sólidos, grafeno, superconductores y modelos teóricos de gran complejidad. Demostrar experimentalmente que los pesos de Drude pueden medirse y que capturan fielmente la dinámica balística abre la puerta a estudiar con precisión el transporte en:
✅ Cadenas de espines integrables, como el modelo XXZ.
✅ Sistemas cuánticos sometidos a perturbaciones externas.
✅ Fases no térmicas descritas por ensambles de Gibbs generalizados, una versión extendida del ensamble de Gibbs clásico que se usa cuando un sistema cuántico no puede olvidarse de su pasado porque posee muchas cantidades conservadas.
✅ Regímenes donde la integrabilidad se rompe y aparecen fases hidrodinámicas convencionales.
Los autores subrayan que las técnicas desarrolladas —especialmente los protocolos experimentales y el uso de redes PINN— pueden adaptarse a otros sistemas de materia cuántica fuertemente correlacionada.
Un vistazo al futuro
A largo plazo, entender cómo fluye la información, la masa o la energía en sistemas cuánticos sin disipación podría ser crucial para la computación cuántica, la espintrónica, la nanoelectrónica y el diseño de materiales con propiedades de transporte exóticas.
El estudio no construye literalmente un cable cuántico, pero sí demuestra un canal de transporte perfecto en un sistema real, controlable y reproducible: un logro que hace apenas una década habría parecido inalcanzable.
«Este trabajo proporciona una base experimental para estudiar las propiedades de transporte en materia cuántica fuertemente correlacionada», concluyen los autores .
Un sistema en el que la fricción desaparece, las partículas nunca olvidan su estado inicial y la corriente crece sin límite: el sueño de cualquier ingeniero eléctrico, ahora en manos de los físicos cuánticos.▪️
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Información facilitada por la Universidad Técnica de Viena
Fuente: Philipp Schüttelkopf et al. Characterizing transport in a quantum gas by measuring Drude weights. Science (2025) DOI: 10.1126/science.ads8327
