Els líquids i els gasos són dues fases diferents de la matèria que formen part del nostre dia a dia. Els gasos són diluïts i es poden expandir o comprimir fins a adoptar la mida del seu recipient, mentre que els líquids són densos i incompressibles, ocupen un volum fix i poden formar gotes. Aquestes gotes estan formades per un conjunt de partícules que es mantenen unides sota una superfície que les separa de l’ambient. Quan les escalfem s’evaporen, donant lloc a una transició de fase entre l’estat líquid i el gasós. Això és exactament el que succeeix quan fem bullir l’aigua a la cassola en cuinar.

Ara bé, existeixen els líquids ultra diluïts? Podem imaginar que el líquid que hi ha en una cullerada sopera pugui ocupar el volum d’una piscina olímpica? Tot i que en condicions normals això és impossible, les coses són molt diferents a temperatures molt baixes. En un estudi recent publicat a la revista Science, els investigadors César R. Cabrera, Luca Tanzi, Julio Sanz, Bruno Naylor, Philip Thomas i Pierrick Cheiney, de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)–, liderats per la professora Cellex Nest de l’ICFO Leticia Tarruell, han creat un líquid un centenar de milions de vegades més diluït que l’aigua i un millió de vegades menys dens que l’aire.

Per aconseguir-ho han refredat un gas d’àtoms de potassi fins arribar als -273.15ºC, molt a prop del zero absolut de temperatura. Tot i que a aquestes temperatures els àtoms es comporten com a ones i segueixen les lleis de la mecànica quàntica, mantenen la propietat intrínseca dels gasos: ocupen tot el volum del seu recipient. Les coses són diferents quan es barregen dos gasos que s’atrauen a aquestes temperatures i es poden formar gotes líquides ultra diluïdes. “En molts aspectes, les nostres gotes de potassi són molt similars a les gotes d’aigua. Tenen la seva pròpia mida i forma independentment del recipient on les posem, tot i que tenen propietats quàntiques”, explica en César R. Cabrera, primer autor de l’estudi.

De fet, l’existència d’aquestes gotes líquides és completament fruit de les fluctuacions quàntiques, un sorprenent efecte quàntic. A més a més, tot i que a temperatures tan baixes els àtoms dins la gota haurien de romandre immòbils, la mecànica quàntica no permet que estiguin completament en repòs. Aquesta condició està prohibida pel principi d’incertesa de Heisenberg. D’aquesta manera els àtoms tenen una energia addicional que fa que quan les gotes siguin massa petites s’evaporin convertint-se en un gas novament. “Aquestes gotes són fascinants ja que, encara que són gotes macroscòpiques formades per milers de partícules, el seu comportament està completament determinat per les fluctuacions i correlacions quàntiques. En observar la transició entre la fase líquida i gasosa podem mesurar de forma molt precisa aquests efectes quàntics”, afirma la professora Leticia Tarruell.

La combinació única de baixa densitat i les propietats quàntiques d’aquestes gotes les converteixen en un sistema ideal per comprendre millor els sistemes quàntics formats per moltes partícules que interactuen, així com les propietats de l’Heli líquid, les estrelles de neutrons i d’altres materials complexes.