Una bomba cuántica sin manivela

Jun 27, 2023

22 de agosto de 2022

por ETH Zúrich

Las bombas, en pocas palabras, son dispositivos que utilizan el movimiento cíclico para lograr el transporte constante de alguna carga. En una bomba de bicicleta, los movimientos repetidos hacia arriba y hacia abajo de un pistón crean un flujo de aire. En una bomba de tornillo de Arquímedes, el agua se transfiere entre depósitos girando una manivela. También se han explorado conceptos relacionados en sistemas cuánticos, en particular para el transporte de electrones uno por uno a través de materiales en estado sólido, generando así una corriente cuantificada.

Ahora, un equipo dirigido por el Dr. Tobias Donner, científico principal del grupo del Prof. Tilman Esslinger en el Instituto de Electrónica Cuántica, agrega un giro sorprendente a la historia. Escribiendo en Nature, informan sobre una bomba cuántica que no requiere ninguna conducción periódica desde el exterior: una bomba que se enrolla sin la manivela.

El equipo de Esslinger y Donner no trabaja con electrones en materiales de estado sólido, sino con átomos confinados en estructuras complejas creadas por la intersección de rayos láser. Dichos cristales sintéticos tienen la ventaja de que tanto los átomos como la red cristalina pueden controlarse con una precisión exquisita y una gran 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 maneras imprevistas, lo que idealmente apunta a nuevos fenómenos de la física cuántica. Y esto es precisamente lo que logró el equipo en el trabajo que ahora se informa.

Un ingrediente clave de su experimento es una cavidad óptica en la que se forma el cristal sintético. La cavidad sirve para mediar un acoplamiento entre los átomos y los campos de luz involucrados. Además, los fotones que se escapan de la cavidad constituyen un canal de disipación, sobre el cual los experimentadores también tienen un excelente control. Tal sistema que incluye 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 acoplar diferentes configuraciones de un cristal sintético, dando lugar a dinámicas que oscilan entre estas configuraciones. Ese trabajo se publicó en Science en 2020.

La gran sorpresa que condujo al trabajo ahora publicado fue la observación experimental de que los átomos atrapados en la estructura cristalina sintética comenzaron a moverse. Llevando a cabo varias mediciones y realizando simulaciones numéricas, los investigadores identificaron el mecanismo detrás del movimiento atómico: el cristal sintético se enrollaba periódicamente entre diferentes estructuras, de modo que el centro de masa de los átomos se desplaza espacialmente en una cantidad fija en cada ciclo, en intrigante analogía con el movimiento quiral hacia arriba en 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 cuantificado.

Lo que es único en estos experimentos en comparación con realizaciones anteriores de bombas cuánticas, y en contraste con la forma en que imaginamos una bomba en general, 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 lleva al bombeo "auto-oscilante". En este contexto, es importante que las configuraciones atómicas entre las que oscila el sistema sean distintas en un nivel muy fundamental, en el sentido de que poseen diferentes topologías. En términos prácticos, esto significa que el mecanismo de transporte demostrado debe ser estable frente a perturbaciones externas y también robusto con respecto a la forma detallada del protocolo de bombeo.

Estos son hallazgos emocionantes. La topología y los sistemas cuánticos abiertos son áreas muy activas de la física moderna. La conexión entre los dos promete proporcionar no solo un banco de pruebas para la teoría cuántica de muchos cuerpos, sino también una herramienta práctica para realizar estados exóticos de la materia cuántica.

Más información: Davide Dreon et al, Bomba autooscilante en un sistema topológico de cavidad atómica disipativa, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04970-0

Nishant Dogra et al, Inestabilidad estructural inducida por disipación y dinámica quiral en un gas cuántico, Science (2020). DOI: 10.1126/ciencia.aaw4465

Información del diario:ciencia , naturaleza

Proporcionado por ETH Zúrich