Un equipo de investigadores ha visualizado por primera vez el efecto directo del principio de exclusión de Pauli, una característica fundamental de la mecánica cuántica que permite, entre otras cosas, que la materia ordinaria sea estable, y determina la forma en que nuestro mundo se estructura al dotar a las interacciones entre átomos de características únicas.
Los electrones, protones y neutrones, que constituyen los principales elementos constitutivos de la materia que nos rodea, tienen un punto en común: son fermiones. Estas partículas están dotadas de una propiedad muy singular, a saber, que es absolutamente imposible encontrar dos en el mismo estado físico.
Figura:
Imagen de una configuración de un gas cuántico fermiónico. Cada punto azul representa un átomo único. En lugar de agruparse, los átomos se evitan unos a otros debido al principio de exclusión de Pauli, de tal manera que, en promedio, estos puntos se disponen de forma diferente a un conjunto de puntos colocados al azar (la apariencia general de la nube en forma de elipse se debe a la geometría del potencial en el que están atrapados los átomos).
© Tim de Jongh et al., Phys. Rev. Lett. 2025. Esta característica de los fermiones se llama principio de exclusión de Pauli, en honor al famoso físico Wolfgang Pauli, quien lo formuló explícitamente hace exactamente un siglo, lo que le valió el Premio Nobel veinte años después. Esta regla, observada pero no demostrada, es constitutiva de la mecánica cuántica y es esencial para comprender el mundo que nos rodea.
Así, es ella la que impide que la materia colapse, explica las propiedades de los semiconductores y dicta la estructura de la clasificación periódica.
Sin embargo, como el principio de Pauli concierne a escalas de energía y longitud extraordinariamente pequeñas, hasta ahora solo se había observado indirectamente, a través de los efectos que induce en las escalas más macroscópicas de la materia.
En un estudio publicado recientemente, científicos del Laboratorio Kastler Brossel (
LKB, CNRS/Collège de France/ENS-PSL/Sorbonne Université) han revelado las imágenes más claras jamás realizadas de la exclusión de Pauli directamente en acción a escalas atómicas. Utilizaron nubes de cientos de átomos de
6Li (fermiones) enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Estas bajas temperaturas hacen que las propiedades cuánticas de las partículas sean observables, que de otro modo estarían enmascaradas por su agitación térmica. El equipo utilizó una técnica que desarrolló recientemente para visualizar las ondas cuánticas. Al dejar primero que los átomos evolucionen libremente en el espacio, y luego inmovilizarlos en una red óptica —"jaulas" microscópicas espaciadas regularmente creadas por la luz láser—, los científicos pudieron tomar directamente una fotografía del sistema fermiónico, registrando la posición de cada átomo.
Este modo operativo reveló directamente el principio de exclusión de Pauli "en acción", ya que los análisis estadísticos de las configuraciones muestran que los átomos se evitan unos a otros y dan una firma estadística en perfecta conformidad con lo que predice la teoría cuántica.
En el sistema que estudiaron, la exclusión de Pauli era la única interacción posible entre los átomos, revelando sus efectos de la manera más pura que se puede concebir.
El equipo examinó las correlaciones entre las posiciones de dos y tres partículas, revelando una disminución significativa en el número de pares y tríos de átomos que se encuentran a corta distancia unos de otros, una propiedad llamada "agujero de Pauli" y considerada una firma inequívoca del principio del mismo nombre.
Gracias a su técnica, los investigadores ahora pueden estudiar sistemas significativamente más complicados, como ensamblajes de fermiones en interacción fuerte, donde el principio de exclusión de Pauli compite con las colisiones de partículas. Al ser capaces de tomar imágenes directas de las configuraciones de su gas, este método les permitirá medir el comportamiento de sistemas fermiónicos tan complejos que incluso las supercomputadoras más potentes no logran simularlos.
Este trabajo ha sido seleccionado como Editor's Suggestion en las
Physical Review Letters, donde se publica en portada. Además, ha sido objeto de una reseña en la revista
Physics de la APS.
Doi:
10.1103/PhysRevLett.134.183403
Archivos abiertos:
arXiv
Fuente: CNRS INP