Una varilla cilíndrica es rotacionalmente simétrica:después de cualquier rotación arbitraria alrededor de su eje, siempre se ve igual. Si se le aplica una fuerza cada vez mayor en la dirección longitudinal, sin embargo, eventualmente se doblará y perderá su simetría rotacional. Tales procesos, conocido como "ruptura espontánea de la simetría", también ocurren de manera sutil en el mundo cuántico microscópico, donde son responsables de una serie de fenómenos fundamentales como el magnetismo y la superconductividad. Un equipo de investigadores dirigido por el profesor de ETH Tilman Esslinger y el científico principal Tobias Donner en el Instituto de Electrónica Cuántica ahora ha estudiado las consecuencias de la ruptura espontánea de la simetría en detalle utilizando un simulador cuántico. Los resultados de su investigación se han publicado recientemente en la revista científica Ciencias .

Transiciones de fase causadas por ruptura de simetría

En su nuevo trabajo, Esslinger y sus colaboradores se interesaron particularmente en las transiciones de fase:procesos físicos, es decir, en el que las propiedades de un material cambian drásticamente, como la transición de un material de sólido a líquido o la magnetización espontánea de un sólido. En un tipo particular de transición de fase causada por la ruptura espontánea de la simetría, Aparecen los llamados modos Higgs y Goldstone. Esos modos describen cómo las partículas de un material reaccionan colectivamente a una perturbación del exterior. "Estas excitaciones colectivas solo se han detectado de forma indirecta hasta ahora, "explica Julian Léonard, quien obtuvo su doctorado en el laboratorio de Esslinger ahora trabaja como postdoctorado en la Universidad de Harvard, "pero ahora hemos logrado observar directamente el carácter de esos modos, que está dictada por la simetría ".

Sombrero en el simulador cuántico

Para ese propósito, los físicos construyeron un simulador cuántico:un sistema de laboratorio, es decir, en el que los fenómenos cuánticos se pueden estudiar en su forma más pura y bajo condiciones controladas. El simulador cuántico utilizado por los investigadores de ETH consta de átomos de rubidio extremadamente fríos que están expuestos a varias ondas de luz. Usando dos resonadores ópticos, Se crea un acoplamiento entre los átomos y las ondas de luz que hace que la forma de la energía potencial de los átomos de rubidio parezca una ensaladera rotacionalmente simétrica. Las coordenadas de la superficie energética corresponden a la intensidad de la luz en los dos resonadores. Un rayo láser que crea una llamada red óptica se puede utilizar para cambiar esta superficie similar a una ensaladera de tal manera que, por encima de una fuerza crítica del rayo láser, comienza a parecerse a un sombrero mexicano con un bulto en el centro.

En esas circunstancias, al igual que en el caso de la varilla cilíndrica, Se produce una ruptura espontánea de la simetría:así como la varilla se pandeó repentinamente en una dirección espacial aleatoria, los átomos en el experimento de Esslinger, que empezó en medio de la ensaladera, ahora todos juntos buscan un nuevo mínimo de energía. Ese mínimo puede estar en cualquier parte del surco del sombrero, ya que todos los puntos a lo largo de la ranura tienen la misma energía. Eso también significa, sin embargo, que (en términos energéticos) los átomos se pueden mover colectivamente a lo largo del surco sin ningún aporte de energía; esto corresponde al llamado modo Goldstone. Por el contrario, si uno quiere empujarlos radialmente, lejos del centro del sombrero o hacia él, uno tiene que proporcionar la energía necesaria para este modo de Higgs. De nuevo, esto se puede comparar con una varilla abrochada, que es fácil de girar pero difícil de doblar más.

Modos de medición en tiempo real

"Normalmente, Los modos Goldstone y Higgs se detectan indirectamente a través de esa energía ", dice Andrea Morales, estudiante de doctorado y miembro del equipo de investigación, "pero ahora hemos podido estudiar en tiempo real cómo se comportan esos modos cuando el sistema está perturbado". Para hacerlo los investigadores enviaron un pulso de láser corto a uno de los resonadores ópticos y luego midieron la intensidad de la luz en ambos resonadores en función del tiempo. Esto les permitió calcular la posición de los átomos dentro del sombrero de energía. Como se esperaba, después de excitar un modo Goldstone, solo cambió la coordenada angular a lo largo de la ranura, mientras que en el modo de Higgs fue la posición radial la que varió.

Para Tilman Esslinger, Esta observación directa de un fenómeno de muchos cuerpos importante y generalizado, que hasta ahora solo podía observarse indirectamente, representa una de las fortalezas esenciales del simulador cuántico:"En esos sistemas cuánticos sintéticos tenemos una realización bastante ideal de lo que ocurre en la naturaleza. - en sólidos y también en moléculas individuales. La observación directa de la dinámica de los modos Goldstone y Higgs en el simulador cuántico profundiza nuestra comprensión de lo que sucede en tales sistemas naturales ".