A las temperaturas más bajas del universo, la física adquiere características extraordinarias. Cuando los átomos se enfrían hasta apenas por encima del cero absoluto (-273,15 grados Celsius), pueden conducir electricidad sin resistencia, convertirse en nubes de "superpartículas" o fluir sin fricción y trepar por las paredes de sus contenedores, según explica el estudio publicado por investigadores europeos.

La existencia a las escalas más pequeñas y frías está regida por la estadística cuántica, que determina el comportamiento de bosones y fermiones: las dos familias de partículas fundamentales que se cree componen todo en el universo.

Los bosones son partículas portadoras de fuerza, como los fotones o el famoso bosón de Higgs. Estos pueden ocupar el mismo estado cuántico, lo que significa que cantidades ilimitadas de bosones pueden "superponerse" unos sobre otros y actuar como ondas coherentes.

Los fermiones son partículas como los electrones y los quarks que componen protones y neutrones. No pueden "superponerse" porque solo un único fermión puede ocupar un estado cuántico, según el famoso principio de exclusión de Pauli, que también explica por qué los cadáveres estelares como las estrellas de neutrones y las enanas blancas no colapsan en agujeros negros infinitamente pequeños.

"Los fermiones, por ejemplo, se apilan ordenadamente en los estados de energía disponibles para formar el llamado 'mar de Fermi'", dijo Alvise Bastianello, físico teórico del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y la Universidad Paris-Dauphine. "Pero ¿qué sucede si uno fuerza a los átomos que interactúan a pasar continuamente por condiciones extremas, cambiándolos suavemente de repelerse fuertemente entre sí a atraerse fuertemente?".

Para descubrirlo, los investigadores primero crearon un estado exótico de materia llamado gas de Bose. Este comprendía una colección de aproximadamente 70.000 átomos de cesio enfriados a una temperatura de otro mundo de solo unos pocos nanoKelvin, equivalente a milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, según detalla el estudio.

En condiciones tan extremas, los átomos pierden su individualidad y comienzan a actuar como una entidad nebulosa y unificada.

Los investigadores luego confinaron esta sustancia singular dentro de tubos unidimensionales, generados por una red óptica bidimensional, una red de láseres que atrapa átomos para que puedan ser observados.

Finalmente, los científicos sometieron esta materia a ciclos repetidos de interacción, en los que indujeron a sus átomos constituyentes a repelerse y luego atraerse fuertemente entre sí.

Al hacerlo, dieron origen a una fase completamente nueva e inesperadamente exótica de materia cuántica: un mar de Fermi fraccionario.

Como se mencionó, los bosones pueden ocupar estados cuánticos sin restricción, pero los fermiones no pueden. Por lo tanto, la "fraccionariedad" de este mar representa una especie de punto intermedio, en el que los estados cuánticos pueden estar solo parcialmente ocupados, un mecanismo que puede manifestarse únicamente en experimentos de dimensiones inferiores, según los investigadores.

Los pulsos cíclicos de atracción y repulsión también producen un resultado contraintuitivo. En lugar de calentar o dispersar aleatoriamente las partículas, hacen lo contrario.

"En lugar de simplemente calentar el sistema, el ciclo de interacción reorganiza los átomos en un nuevo estado de muchos cuerpos", dijo Yi Zeng, físico de materia condensada de la Universidad de Innsbruck en Austria y autor principal del estudio.

El líder de la investigación, Hanns-Christoph Nägerl, profesor de la Universidad de Innsbruck especializado en física cuántica experimental, explicó: "Este estado está altamente excitado, pero no es aleatorio. Tiene un orden oculto que se vuelve visible en sus correlaciones".

Dadas sus interacciones extrañamente complejas, incluidas ondulaciones aparentes llamadas oscilaciones de Friedel —la evidencia "irrefutable" de un mar de Fermi fraccionario— los investigadores no están seguros de cómo etiquetar su materia lábil.

"Todavía no estamos seguros de cómo deberíamos nombrar estas nuevas cuasipartículas. ¿Quizás 'super-fermiones'?", sugirió Nägerl.

Este novedoso experimento ofrece una vía única para explorar las interacciones de sistemas cuánticos de átomos fríos, para investigar cómo nuestra realidad macro emerge de la rareza que ocurre en las escalas más fundamentales.

"El descubrimiento de mares de Fermi fraccionarios muestra hasta dónde podemos llevar la simulación cuántica: no solo reproduciendo modelos conocidos, sino creando y sondeando estados que van más allá de los paradigmas establecidos", dijo Nägerl.

Como resultado, este trabajo puede ayudar a mejorar las capacidades de información y detección cuánticas, permitiendo procesamiento de datos y mediciones de alta precisión para conectar el mundo, con un potencial incalculable para mejorar la ciencia de materiales, la biomedicina y las tecnologías de encriptación, entre muchas otras, según los investigadores.