Gotas ‘andarinas’ para ayudar a entender propiedades cuánticas

Cuando una gota es extraída de un baño vibrante de aceite de silicona ocurre un fenómeno curioso: la gota puede rebotar sobre su superficie sin hundirse en el fluido. Cada vez que golpea el fluido subyacente produce ondas viajeras en su superficie, las cuales pueden afectar al movimiento de la gota en colisiones posteriores.

Si, al colisionar con el fluido, este tiene cierta inclinación, la gota puede ponerse a ‘caminar’ horizontalmente dando lugar a una partícula con una onda guía acompañándola. A partir de este fenómeno es posible demostrar que estos sistemas experimentales reproducen muchos fenómenos cuánticos como la cuantización de órbitas o el efecto túnel.

La gota puede ponerse a ‘caminar’ horizontalmente tras colisionar con el fluido, con una onda guía acompañándola, un sistema experimental que reproduce fenómenos cuánticos

En este contexto, los físicos Álvaro García López, profesor de la Universidad Rey Juan Carlos, y Rahil Valani, del Centro de Física Teórica Rudolf Peierls en la Universidad de Oxford (Reino Unido), han iniciado una pionera línea de investigación relacionada con los análogos cuánticos hidrodinámicos. Algunos de sus resultados los acaban de publicar en la revista Chaos, Solitons & Fractals.

Los autores han extendido un modelo de gota andarina o andante incorporando un potencial de energía con dos pozos separados por una barrera. Usando herramientas matemáticas de la dinámica no lineal, han demostrado la existencia de numerosas órbitas cuantizadas (las únicas posibles en las que las partículas cuánticas pueden moverse y que tienen como valor promedio la energía dada), que se corresponden con oscilaciones sostenidas.

Pasar de un pozo a otro por el caos

“A lo largo de las órbitas cuantizadas el sistema absorbe en promedio la misma energía mecánica que emite”, apunta el profesor Valani. Es más, se ha observado que dichas órbitas pueden perder estabilidad y volverse caóticas, permitiendo que la partícula pase imprevisiblemente de un pozo a otro.

A diferencia de los sistemas conservativos de la mecánica newtoniana, estas gotitas saltimbanquis son estructuras disipativas con memoria, dado que las ondas que producen en el medio en colisiones pasadas viajan por el mismo y les afectan a tiempo presente.

A diferencia de los sistemas conservativos de la mecánica newtoniana, estas gotitas saltimbanquis son estructuras disipativas con memoria

“Aquí la memoria involucra toda la historia pasada de la gota, si bien es el pasado más reciente el que más afecta. La dinámica de esta materia activa es muy compleja, a tal punto que hemos sido capaces, simplificando el perfil de las ondas que la gota lleva pegadas, de conectar las ecuaciones que describen su movimiento con el famoso sistema de Lorenz que dio pie a la teoría del caos”, destaca el profesor García López.

“Esto –continúa–, ha permitido utilizar dicha teoría para explicar fenomenología propia del mundo atómico y cuántico como, por ejemplo, el efecto túnel, que hemos desenmascarado como un proceso de intermitencia caótica”.

Conectamos las ecuaciones que describen las ondas de la gota con el famoso sistema de Lorenz que dio pie a la teoría del caos, que ayuda a explicar fenomenología propia del mundo atómico y cuántico

Álvaro García López (URJ)

Los investigadores esperan que estos sistemas permitan explorar otros fenómenos típicos de la física cuántica como, por ejemplo, el entrelazamiento de partículas, entendido como un proceso de sincronización del caos, lo cual produce que dos cuerpos actúen tiemblen al unísono impredeciblemente.

Referencia:

Rahil N. Valani y Álvaro G. López. “Quantum-like behavior of an active particle in a double-well potential”. Chaos, Solitons & Fractals, 2024