El trabajo, al final
Un equipo de investigadores de Exactas UBA pudo comprobar experimentalmente una idea que ellos mismos postularon hace dos años y que alcanzó una amplia repercusión internacional. Además, el experimento permitió demostrar la validez de ciertas leyes de la Física.
Esquema del experimento que permitió el logro. Ilustración: Augusto Roncaglia.
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Con frecuencia, empleamos la palabra “energía” para referirnos a cosas muy diversas. ¿Pero qué es la energía? En Física, se define a la energía como la capacidad para realizar un trabajo. Pero el trabajo, en este caso, no tiene que ver con lo laboral. Para los físicos, el trabajo es una magnitud que representa la energía necesaria para mover algo en contra de una fuerza.
Por ejemplo, una persona que levanta un objeto del suelo hace trabajo en contra de la fuerza de gravedad. De igual manera, un individuo que empuja una caja sobre el piso hace trabajo en contra de la fuerza de rozamiento. También, un motor realiza trabajo para, por ejemplo, desplazar un vehículo.
Calcular el trabajo que efectúa un sistema (un motor, por ejemplo) para mover un objeto requiere medir ciertas variables. Entre ellas, la distancia que recorre ese objeto durante su trayectoria.
Como bien puede suponerse, medir una distancia no es algo difícil. Pero, cuando se ingresa en el mundo de lo infinitamente pequeño (el mundo cuántico), se presenta un problema: a nivel cuántico es imposible determinar la trayectoria de una partícula. Por eso, para medir el trabajo en un sistema cuántico se puede recurrir a otro método: medir la energía interna del sistema al inicio y al final del proceso.
Pero aquí surge un nuevo inconveniente: efectuar una medición en el mundo de lo pequeño es una intervención que perturba el sistema y, en consecuencia, altera el resultado de la medición.
Este problema fue resuelto de manera teórica hace un par de años por un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA (Exactas UBA), quienes entonces propusieron una idea original para medir el trabajo en sistemas cuánticos con la menor intervención posible, de manera de no perturbarlo.
En aquel desarrollo teórico, que tuvo una fuerte repercusión internacional, habían propuesto determinar el valor del trabajo mediante una única medición al final del proceso. Así -sugerían- se mantendría la coherencia del sistema hasta que el proceso finalizara.
Ahora, llevaron a la práctica aquella idea teórica en un sistema real: “Mediante un experimento demostramos que la idea era correcta”, revela Juan Pablo Paz, investigador del CONICET y profesor de Exactas UBA.
Los resultados de esta demostración, que también firman Augusto Roncaglia y Federico Cerisola -los otros autores del desarrollo teórico-, fueron publicados hoy por la prestigiosa revista científica Nature Communications.
Trabajo atómico
Para efectuar el experimento, los investigadores se contactaron con un grupo de colegas israelíes: “Ellos tienen un dispositivo que nos parecía adecuado para hacer el experimento que nosotros proponíamos”, cuenta Paz. “Nos llevó un tiempo convencerlos, porque ellos nunca habían pensado en utilizarlo para resolver este problema de la física”, comenta.
El dispositivo en cuestión cuenta con una cámara de ultra-alto vacío de unos 250 cm3 de volumen, en la que se introduce una “nube” conteniendo una pocas decenas de miles de átomos “fríos”, es decir, en un estado en el que se mueven muy poco.
En la misma cámara, hay un chip que permite, de manera muy precisa y controlada, generar fuerzas que pueden utilizarse para empujar los átomos en una determinada dirección. Es decir, realizar trabajo sobre los átomos.
Mediante sucesivos empujones, los científicos mueven las partículas en diferentes direcciones hasta, finalmente, hacerlas chocar contra una pantalla que las absorbe. Y en el lugar del impacto queda marcado un punto.
Augusto Roncaglia, Juan Pablo Paz y Federico Cerisola
Al final del experimento, mediante un algoritmo (un programa de computación) desarrollado por los investigadores argentinos, se puede analizar cómo se distribuyen los puntos en esa imagen: “A partir de la posición de cada punto, el algoritmo nos permite inferir cuál fue el trabajo realizado sobre ese átomo”, explica Paz. En definitiva, la medición se efectúa una vez que el proceso terminó y cuando el átomo ya “desapareció”, dejando tan solo su “huella” en la pantalla.
El “medidor de trabajo cuántico” -así denominan los investigadores al dispositivo- no solo les sirvió para confirmar la hipótesis que plantearon hace dos años. Además, les permitió poner a prueba ciertas leyes de la Física: “El experimento es una linda demostración de la validez de los teoremas de fluctuación, que son leyes que rigen la termodinámica fuera del equilibrio”.
Trabajo futuro
Medir el trabajo que se realiza sobre un sistema cuántico -o, también, el que se puede “extraer” de un sistema cuántico- es un procedimiento que adquiere relevancia si se piensa en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.
“Este experimento no tiene una aplicación directa, porque no era ese el objetivo”, aclara Paz. “Pero todas estas tecnologías de manipulación de sistemas cuánticos cada vez más pequeños y de átomos cada vez más fríos, pueden tener aplicaciones en el desarrollo de máquinas que funcionen en el régimen cuántico, como computadoras, motores, heladeras o sensores ultra precisos, entre otras cosas”, ilustra.
En el Departamento de Física de Exactas UBA están terminando de armar un nuevo laboratorio de características únicas en América Latina, denominado Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF), que posibilitará la manipulación de esas partículas. Se trata de una tecnología que dominan menos de veinte países en el mundo. “En el LIAF vamos a poder hacer experimentos manipulando iones y átomos fríos de a uno a la vez, con fines tanto de investigación básica como aplicada”, anuncia Paz.
