Los físicos de ETH Zurich demuestran cómo se pueden bombear átomos a través de un cristal artificial sin tener que usar un impulsor externo periódico. Estos experimentos combinan muchos aspectos clave de la física cuántica multicuerpo de formas inesperadas, allanando un nuevo camino para comprender y crear estados exóticos de la materia cuántica.
Las bombas, en pocas palabras, son dispositivos que utilizan el movimiento periódico para lograr el movimiento constante de ciertos productos. En una bomba de bicicleta, los movimientos repetidos hacia arriba y hacia abajo del pistón hacen que fluya el aire. En una bomba de tornillo de Arquímedes, el agua se mueve entre los tanques girando una manivela. También se han explorado conceptos relacionados en sistemas cuánticos, en particular para transferir electrones uno a uno a través de materiales en estado sólido, generando así una corriente cuántica. Ahora, un equipo dirigido por el Dr. Tobias Donner, científico jefe del grupo del profesor Tilmann Islinger en el Departamento de Física del Instituto Federal de Tecnología de Zúrich, añade un giro sorprendente a la historia. Escritura templar la naturalezainforman sobre una bomba volumétrica que no requiere ningún accionamiento periódico desde el exterior: una bomba de bobinado sin manivela.
Encuentra nuevos rompecabezas
El equipo de Esslinger y Donner no trabaja con electrones en materiales de estado sólido, sino con átomos atrapados en estructuras complejas creadas por láseres transversales. Estos cristales sintéticos tienen la ventaja de que tanto los átomos como la red cristalina pueden controlarse con extrema precisión y flexibilidad. Luego, la plataforma se puede aprovechar para obtener una mejor comprensión de los efectos conocidos o para generar escenarios en los que los sistemas cuánticos se comportan de manera inesperada, idealmente apuntando a nuevos fenómenos en la física cuántica. Esto es exactamente lo que el equipo ha logrado en el trabajo mencionado ahora.
Un componente clave de su experimento es la cavidad óptica en la que se forma el cristal artificial. La cavidad media el acoplamiento entre los átomos y los respectivos campos de luz. Además, los fotones que se escapan de la cavidad forman un canal de disipación, sobre el cual los experimentadores también tienen un excelente control. Tal sistema que implica disipación se conoce como sistema cuántico abierto. Es importante destacar que, cuando se controla adecuadamente, la disipación puede ser una ventaja en lugar de una molestia: en 2019, los miembros del grupo de Esslinger descubrieron que los fotones que se escapan de la cavidad pueden combinar diferentes configuraciones de cristales sintéticos, lo que da lugar a dinámicas oscilantes entre estas configuraciones.
Avanza yendo en círculos
La gran sorpresa que condujo al trabajo ahora publicado fue la observación experimental de que los átomos atrapados en la estructura cristalina artificial comenzaron a moverse. Después de realizar varias mediciones y ejecutar simulaciones numéricas, los investigadores identificaron el mecanismo detrás del movimiento atómico: el cristal sintético giraría periódicamente entre las diferentes estructuras, desplazando espacialmente el centro de masa de los átomos en una cantidad constante por ciclo, una analogía interesante con el movimiento ascendente en espiral de una bomba de Arquímedes. Al analizar cuidadosamente el campo de luz que se escapa de la cavidad, los físicos de ETH obtuvieron información detallada sobre el mecanismo y caracterizaron la interacción entre la disipación de la cavidad y el bombeo cuántico.
¿Quién dirige Karnak?
Lo que es único acerca de estos experimentos en comparación con la realización anterior de bombas cuánticas, y en contraste con la forma en que generalmente percibimos la bomba, es que se observa una corriente de partículas sin ningún impulso periódico externo. Lo que impulsa la corriente es la disipación de la cavidad, lo que da como resultado una bomba «autooscilante». En este contexto, es importante que las configuraciones atómicas entre las que oscila el sistema sean distintas en un nivel muy fundamental, ya que poseen las denominadas topologías diferentes. En la práctica, esto significa que el mecanismo de transferencia descrito debe ser estable frente a perturbaciones externas y también robusto con respecto a la forma detallada del protocolo de bombeo.
Estos son resultados emocionantes. La topología y los sistemas cuánticos abiertos son campos muy activos de la física moderna. La relación entre las dos promesas no solo proporciona una prueba de la teoría cuántica de cuerpos múltiples, sino que también proporciona una herramienta práctica para percibir los estados extraños de la materia cuántica.
Fuente de la historia:
Materiales Introducción de Departamento de Física ETH Zúrich. Nota: El contenido puede modificarse según el estilo y la extensión.
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