En un gas cuántico extremadamente escaso y frío, los físicos han creado nudos hechos de los momentos magnéticos, o espines, de los átomos constituyentes. Los nudos exhiben muchas de las características del rayo de bola, que algunos científicos creen que consiste en corrientes enredadas de corrientes eléctricas. La persistencia de tales nudos podría ser la razón por la cual el rayo de bola, una bola de plasma, vive durante un tiempo sorprendentemente largo en comparación con un rayo. Los nuevos resultados podrían inspirar nuevas formas de mantener el plasma intacto en una bola estable en reactores de fusión.

"Es notable que pudiéramos crear el nudo electromagnético sintético, es decir, un rayo de bola cuántica, esencialmente con solo dos corrientes eléctricas en contracorriente. Por lo tanto, es posible que una iluminación con bola natural pueda surgir en un rayo normal ", dice el Dr. Mikko Möttönen , líder del esfuerzo teórico en la Universidad de Aalto.

Vista de la cámara de vacío dentro de la cual se crea el skyrmion tridimensional. Foto: Russell Anderson.

La dinámica del gas cuántico coincide con la de una partícula cargada que responde a los campos electromagnéticos de un rayo de bola.

"El gas cuántico se enfría a una temperatura muy baja donde forma un condensado de Bose-Einstein: todos los átomos en el gas terminan en el estado de energía mínima. El estado ya no se comporta como un gas ordinario, sino como un solo átomo gigante ", explica el profesor David Hall , líder del esfuerzo experimental en Amherst College.

El skyrmion se crea primero polarizando el giro de cada átomo para que apunte hacia arriba a lo largo de un campo magnético natural aplicado. Entonces, el campo aplicado cambia repentinamente de tal forma que aparece un punto donde el campo desaparece en el medio del condensado. En consecuencia, los giros de los átomos comienzan a girar en la nueva dirección del campo aplicado en sus respectivas ubicaciones. Como el campo magnético apunta en todas las direcciones posibles cerca del campo cero, los giros se enrollan en un nudo.

Vista en corte del devanado de la estructura skyrmion 3D, representada por la orientación de objetos de tres patas conocidos como tríadas. Todas las tríadas están inicialmente en una orientación común, pero durante el proceso de creación del skyrmion giran sobre diferentes ejes, lo que finalmente da como resultado el skyrmion donde cada orientación diferente se cumple exactamente dos veces. Las tríadas que comparten una dirección común de sus patas con punta de flecha (verde) se encuentran en curvas cerradas, tres de las cuales se muestran (amarillo, magenta y naranja). Cada una de estas curvas cerradas se vincula con todas las demás una vez, lo que la convierte en una estructura ricamente anudada. Crédito de video: David S. Hall

La estructura anudada del skyrmion consiste en bucles enlazados, en cada uno de los cuales todos los giros apuntan a una cierta dirección fija. El nudo puede aflojarse o moverse, pero no desatarse.

"Lo que hace de esto un skyrmion en lugar de un nudo cuántico es que no solo gira el giro, sino que la fase cuántica del condensado sopla repetidamente", dice Hall.

Si la dirección del giro está cambiando en el espacio, la velocidad del condensado responde exactamente como ocurriría con una partícula cargada en un campo magnético. La estructura de giro anudada da lugar a un campo magnético artificial anudado que coincide exactamente con el campo magnético en un modelo de bola de relámpago.

"Se necesita más investigación para saber si también es posible crear un rayo de bola real con un método de este tipo. Nuevos estudios podrían conducir a encontrar una solución para mantener el plasma unido de manera eficiente y permitir reactores de fusión más estables que los que tenemos ahora ", explica Möttönen.