Imitan las interacciones cuánticas de los electrones cuando fluctúan más allá de las dimensiones clásicas
Redacción T2127
Científicos norteamericanos han conseguido crear dimensiones sintéticas excitando con láser unos átomos gigantes que representan un nuevo estado de la materia. Imitan las interacciones cuánticas que se producen cuando los electrones fluctúan más allá de las dimensiones clásicas.
Investigadores de la Universidad de Rice en Texas han creado lo que llaman "dimensiones sintéticas" en las que pueden observar las reacciones de los electrones fluctuando más allá de las dimensiones físicas clásicas.
Esta investigación podría ser útil para comprender mejor los mecanismos cuánticos que funcionan en experimentos o sistemas más grandes, destacan los científicos en un comunicado.
Mientras nuestra vida cotidiana discurre en tres aburridas dimensiones (ancho, profundidad y altura), los científicos están explorando sistemas que pueden alcanzar "dimensiones sintéticas" adicionales para explorar el mundo más allá de las dimensiones clásicas.
Para conseguirlo, han aprendido a controlar los electrones en los átomos gigantes de Rydberg con tanta precisión que pueden crear "dimensiones sintéticas" capaces de sustituir las dimensiones espaciales adicionales y potenciar la investigación cuántica.
ÁTOMO GIGANTE
Un estado de Rydberg ocurre cuando un electrón en el interior de un átomo se eleva energéticamente a un estado altamente excitado, aumentando su órbita para hacer que el átomo sea miles de veces más grande de lo normal. Se crea así un “átomo gigante”, lleno de átomos ordinarios.
Los átomos de Rydberg representan un nuevo estado de la materia que fue comprobado en 2018 por científicos de la Universidad Técnica (TU) de Viena, de la Universidad de Harvard y de la Universidad de Rice, tal como informaron entonces en un artículo publicado en Physical Review Letters.
En la nueva investigación, desarrollo de esta anterior, el equipo de Rice aplicó una técnica para crear los estados de Rydberg de átomos de estroncio ultrafríos mediante la aplicación de campos eléctricos de microondas resonantes, que les permitieron acoplar muchos estados o dimensiones de esos átomos.
Los investigadores aplicaron microondas para acoplar niveles de energía adyacentes y controlar cómo los electrones de los átomos de estroncio ultrafríos atraviesan barreras lentas y rápidas y crean las dimensiones sintéticas.
USANDO LÁSERES
Los átomos ultrafríos de Rydberg están a una millonésima de grado por encima del cero absoluto. Mediante la manipulación precisa y flexible del movimiento de los electrones, los investigadores acoplaron niveles de Rydberg en forma de celosía, de manera que simulan aspectos de materiales reales.
La técnica permite realizar sistemas que no se pueden lograr en un espacio tridimensional real, y alumbra una nueva y poderosa plataforma para la investigación cuántica: las dimensiones sintéticas.
Los átomos de Rydberg poseen muchos niveles de energía cuántica espaciados regularmente, que pueden acoplarse mediante microondas que permiten que el electrón altamente excitado se mueva de un nivel a otro, de una dimensión a otra, mediante el uso de láseres.
La dinámica en esta "dimensión sintética" es matemáticamente equivalente a una partícula que se mueve entre sitios de red en un cristal real, destacan los investigadores.
DIMENSIÓN PARALELA
Añaden que, en este proceso artificial, se puede considerar cada nivel como una ubicación en el espacio, como una dimensión sintética paralela a las dimensiones ordinarias. Los científicos lograron que las partículas se movieran entre seis niveles o dimensiones sintéticas.
Los investigadores explican que, mediante diferentes longitudes de onda de luz, se pueden acoplar niveles y hacer que las dimensiones sintéticas parezcan partículas que simplemente se mueven entre ubicaciones en el espacio.
Eso significa que se puede configurar la forma en que se mueven esas partículas y capturar toda la física importante de un sistema mucho más complicado, como el que forman las dimensiones sintéticas surgidas de los átomos de Rydberg.
Pero los investigadores se proponen ir mucho más lejos: quieren juntar varios átomos de Rydberg para crear partículas que interactúen en estas dimensiones sintéticas, lo que les permitirá hacer física que no se puede simular en una computadora clásica.
APLICACIONES PRÁCTICAS
Este desarrollo tiene una particularidad nada desdeñable: las ondas utilizadas para formar la “red” unidimensional de la que surgen las dimensiones sintéticas son ondas milimétricas, es decir, ondas radioeléctricas que abarcan frecuencias de 30 a 300 GHz. Tienen propiedades de propagación, lo que significa que son ampliamente utilizables, por ejemplo, en telecomunicaciones.
Además, este resultado puede potenciar el uso de los simuladores cuánticos, consistentes en un sistema cuántico controlable que se usa para simular o emular otros sistemas cuánticos. De esta forma, son capaces de resolver problemas complejos inaccesibles para los ordenadores clásicos, gracias a las exploraciones que permiten las dimensiones sintéticas.
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REFERENCIA
Realizing topological edge states with Rydberg-atom synthetic dimensions. S. K. Kanungo et al. Nature Communications, Volume 13, Article number: 972 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-28550-y
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