La capacidad de controlar la superradiancia y la subradiancia tiene implicaciones que transcienden la física fundamental
Un hallazgo revolucionario demuestra cómo los átomos ultrafríos revelan secretos cuánticos inéditos: respuestas a un enigma científico de más de 70 años
Investigadores revelan nuevos secretos sobre la dinámica cuántica a través de la "conversación" coordinada de átomos. Descubre más aquí.
Un hallazgo revolucionario demuestra cómo los átomos ultrafríos revelan secretos cuánticos inéditos: respuestas a un enigma científico de más de 70 años. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz. - Visión artística de dos átomos interaccionando
Por Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
7.01.2025
Los avances en física cuántica a menudo ocurren a través de pequeños pasos, pero de vez en cuando, se produce un descubrimiento que reescribe las reglas. Intenta hacer un acto complejo: imaginar por un momento a dos átomos "conversando" entre sí, intercambiando energía y radiación de una manera completamente coordinada, y todo ello en un entorno ultrafrío. Esta "conversación atómica" no solo es posible, sino que ha revelado nuevos secretos sobre la dinámica cuántica que permanecían ocultos desde hace más de siete décadas.
Un equipo de físicos liderado por el profesor Dominik Schneble de la Universidad de Stony Brook ha logrado un hito que aborda un problema planteado por el físico Robert H. Dicke en 1954. En su momento, Dicke teorizó que los átomos pueden interactuar colectivamente durante su emisión espontánea, un proceso conocido como superradiancia y su opuesto, subradiancia. Sin embargo, ciertos aspectos de esta teoría no habían podido observarse experimentalmente, hasta ahora. Este grupo ha aprovechado la física de los átomos ultrafríos y las ondas de materia para acceder a fenómenos cuánticos inéditos y comprender mejor cómo la luz y la materia se comportan en estos sistemas complejos.
Átomos ultrafríos y nuevas formas de radiación espontánea
En el mundo de la mecánica cuántica, la emisión espontánea ocurre cuando un átomo excitado libera energía en forma de radiación y cae a un estado de menor energía. Normalmente, este proceso es individual, pero Dicke mostró que en presencia de otros átomos, la radiación puede volverse colectiva. Esto significa que los átomos pueden "colaborar" en su emisión, generando estados superradiantes (con una emisión más intensa) o subradiantes (donde la emisión se inhibe).
El experimento liderado por Schneble utilizó átomos ultrafríos dispuestos en una red óptica unidimensional, creando un sistema de emisores sintéticos. Estos átomos emitían ondas de materia, que son mucho más lentas que los fotones en los sistemas convencionales. Este detalle ha permitido a los investigadores observar efectos cooperativos en escalas de tiempo y espacio imposibles de alcanzar con luz ordinaria. Como explicaron en su publicación en Nature Physics, "la dinámica colectiva se forma solo después de que los emisores vecinos logran comunicarse entre sí".
Al ralentizar estas interacciones, el equipo accedió a regímenes radiativos inéditos, lo que no solo confirmó aspectos de la teoría de Dicke, sino que también abrió una nueva ventana para explorar cómo la radiación colectiva puede manipularse en sistemas cuánticos.
La conversación entre los electrones
Aunque los átomos no "hablan" literalmente, el intercambio de energía y radiación entre ellos puede entenderse como una forma de comunicación cuántica. Cuando un átomo emite radiación, afecta a los átomos vecinos a través de campos comunes, como las ondas de materia. Este proceso dinámico y coordinado permite la formación de comportamientos colectivos, como la superradiancia, donde la emisión se intensifica, o la subradiancia, donde se inhibe.
En este experimento, las ondas de materia, mucho más lentas que los fotones, permitieron a los investigadores ralentizar esta "conversación" atómica y observar cómo los emisores vecinos "negocian" su participación en la emisión colectiva. Este fenómeno, que en sistemas más rápidos ocurre de forma casi instantánea, ahora puede analizarse en detalle, revelando nuevos secretos de la interacción cuántica colectiva.
Emisores cuánticos en una red óptica unidimensional interactúan mediante ondas de materia, revelando dinámicas colectivas como la superradiancia y la subradiancia. Fuente: Nature Physics¿Es tan importante este descubrimiento?
Uno de los logros más destacados de esta investigación es la capacidad de manipular estados subradiantes con un nivel de control sin precedentes. Los estados subradiantes son particularmente interesantes porque "esconden" la radiación dentro del sistema en lugar de liberarla. Schneble y su equipo demostraron que pueden apagar por completo la emisión espontánea y rastrear dónde se almacena la energía en la red atómica.
¿Por qué esto es importante? La capacidad de controlar y estudiar estos procesos podría revolucionar tecnologías en desarrollo, como las redes cuánticas de larga distancia. Por ejemplo, en estas redes, los fotones que transportan información cuántica pueden tardar un tiempo significativo en viajar entre emisores, lo que introduce desafíos que este nuevo enfoque podría resolver.
Pero es que hay más. La investigación abordó el aspecto teórico del problema. En un artículo complementario publicado en Physical Review Research, los autores Alfonso Lanuza y Dominik Schneble encontraron una solución matemática exacta para describir cómo dos emisores completamente excitados interactúan con su entorno cuántico. Este avance teórico es esencial para entender fenómenos colectivos complejos, como el entrelazamiento y la sincronización cuántica en sistemas de múltiples partículas.
Dos átomos imaginarios, uno emitiendo radiación intensa (superradiancia, en rojo) y otro con radiación inhibida (subradiancia, en azul). Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Más allá de la luz: ondas de materia y su impacto en la física cuántica
La elección de usar átomos ultrafríos y ondas de materia en lugar de luz no fue casual. Las ondas de materia se comportan de manera similar a los fotones, pero con una ventaja clave: se mueven mucho más lentamente. Esto ha permitido al equipo observar cómo los átomos "negocian" su emisión colectiva, algo que ocurre de manera casi instantánea con los fotones.
El uso de ondas de materia también introdujo nuevas complejidades. Los investigadores tuvieron que lidiar con procesos como la reabsorción y el rebote de excitaciones entre los átomos. Como señaló Lanuza, este fenómeno es como "un complicado juego de atrapar y liberar", donde los átomos y las ondas de materia intercambian energía de maneras que antes no se habían descrito completamente.
A pesar de estas complicaciones, el equipo fue capaz de modelar matemáticamente este comportamiento. Sus resultados mostraron que, en condiciones específicas, los átomos pueden formar estados ligados, donde la radiación permanece atrapada en el sistema. Estos estados son cruciales para aplicaciones futuras en tecnologías cuánticas.
La elección de usar átomos ultrafríos y ondas de materia en lugar de luz no fue casual. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Las aplicaciones de la precisión
La capacidad de controlar la superradiancia y la subradiancia tiene implicaciones que transcienden la física fundamental. En el ámbito de la computación cuántica y las comunicaciones, minimizar las pérdidas de información es un desafío constante. Los resultados de este estudio podrían llevar a métodos más efectivos para almacenar y transferir información cuántica de manera segura y eficiente.
Otro campo que podría beneficiarse es la metrología cuántica, donde se utilizan sistemas cuánticos para realizar mediciones ultra-precisas. Los estados subradiantes, al ser menos propensos a la emisión espontánea, podrían servir como herramientas de medición más estables y confiables.
Finalmente, los investigadores señalaron que su trabajo establece las bases para explorar redes cuánticas más grandes y complejas. Como sugieren los autores, "nuestros resultados en dinámica radiativa colectiva posicionan a las ondas de materia ultrafrías como una herramienta versátil para estudiar la óptica cuántica en sistemas extendidos y ordenados".
Eugenio M. Fernández Aguilar
___________________
Referencias
Kim, Y., Lanuza, A., & Schneble, D. (2024). Super- and subradiant dynamics of quantum emitters mediated by atomic matter waves. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-024-02676-w.
Lanuza, A., & Schneble, D. (2024). Exact solution for the collective non-Markovian decay of two fully excited quantum emitters. Physical Review Research. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033196.
________
Fuente:
