¿Se pueden estudiar los agujeros negros en un laboratorio? Científicos españoles encuentran una nueva forma

Estudiar algunas de las propiedades cuánticas relacionadas con los agujeros negros sin abandonar la Tierra podría estar un poco más cerca. Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en colaboración con científicos del Collège de France, han desarrollado una estrategia que utiliza átomos ultrafríos y láseres para reproducir en condiciones controladas algunos comportamientos asociados a estos misteriosos objetos cósmicos.

El trabajo, publicado en la revista Physical Review Letters, propone una forma más accesible de recrear experimentalmente el denominado modelo de Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). Se trata de una herramienta teórica que permite investigar cuestiones como el caos cuántico, la propagación de la información en sistemas complejos y determinadas conexiones entre la mecánica cuántica y la gravedad.

Esto no significa que los investigadores hayan creado un agujero negro en miniatura. La propuesta consiste en construir un sistema cuántico que reproduzca determinadas propiedades matemáticas del modelo SYK, relacionado a su vez con comportamientos que los físicos estudian en el contexto de los agujeros negros. Además, hasta ahora, llevar este modelo del terreno teórico al experimental resultaba especialmente complicado por la gran cantidad de interacciones necesarias.

Un “cristal de luz” que se agita

La solución planteada por los científicos pasa por utilizar átomos ultrafríos confinados dentro de una red óptica, una estructura formada mediante haces láser que funciona como una especie de cristal artificial de luz. Sobre ese sistema se aplica posteriormente una técnica denominada ingeniería de Floquet, basada en introducir una perturbación periódica y cuidadosamente controlada.

En términos más sencillos, los investigadores “agitan” periódicamente el sistema. Esta acción consigue suprimir el movimiento convencional de los átomos y sustituirlo por una dinámica colectiva dominada por interacciones efectivas entre las partículas. De esta manera, una configuración inicialmente mucho más sencilla puede terminar comportándose de forma similar al complejo modelo que los físicos quieren estudiar.

“En vez de fabricar un sistema extremadamente complejo, demostramos que basta con agitar periódicamente uno mucho más simple para que aparezca de forma natural la física que buscamos”, explica Charles Creffield, investigador del Departamento de Física de Materiales de la Universidad Complutense y uno de los autores del estudio.

Las simulaciones numéricas realizadas por el equipo demuestran que el sistema reproduce dos características fundamentales de esta física: un intenso caos cuántico y una rápida propagación del entrelazamiento cuántico. Ambos fenómenos son importantes para comprender cómo evoluciona y se dispersa la información dentro de sistemas cuánticos altamente complejos.

De la teoría a los experimentos

Uno de los principales atractivos de la propuesta es precisamente su posible aplicación práctica. A diferencia de otros planteamientos difíciles de trasladar a un laboratorio, la estrategia podría implementarse mediante tecnologías de átomos fríos que ya están disponibles en diferentes centros de investigación. Eso permitiría poner a prueba experimentalmente fenómenos que hasta ahora han permanecido principalmente dentro del terreno de las ecuaciones y las simulaciones.

“Este trabajo abre la puerta al estudio de comportamientos cuánticos extremos, incluidas las conexiones con los agujeros negros, en entornos de laboratorio altamente controlables”, señala Fernando Sols, catedrático de la UCM y coautor de la investigación.

Las posibles aplicaciones tampoco se limitan al estudio de los agujeros negros. El modelo SYK está relacionado con otras áreas de la física, entre ellas el caos cuántico y la superconductividad a altas temperaturas, por lo que disponer de una plataforma experimental más accesible podría servir para investigar problemas muy diferentes. El objetivo es convertir estos sistemas de átomos ultrafríos en laboratorios donde explorar fenómenos cuánticos extremos que, en el universo, aparecen vinculados a algunos de sus objetos más enigmáticos.