La física exótica puede suceder cuando las partículas cuánticas se unen y se comunican entre sí. Comprender estos procesos es un desafío para los científicos, porque las interacciones de las partículas pueden ser difíciles de vislumbrar e incluso más difíciles de controlar. Es más, Las simulaciones por computadora modernas luchan por dar sentido a todas las intrincadas dinámicas que ocurren en un gran grupo de partículas. Afortunadamente, Los átomos enfriados a temperaturas cercanas a cero pueden proporcionar información sobre este problema.

Los láseres pueden hacer que los átomos fríos imiten la física vista en otros sistemas, un enfoque que es un terreno familiar para los físicos atómicos. Usan regularmente rayos láser que se cruzan para capturar átomos en un paisaje de colinas y valles llamado red óptica. Átomos cuando se enfría, no tengo suficiente energía para subir las colinas, y se quedan atrapados en los valles. En este entorno, los átomos se comportan de manera similar a los electrones en la estructura cristalina de muchos sólidos, por lo que este enfoque proporciona una forma sencilla de aprender sobre las interacciones dentro de materiales reales.

Pero la forma convencional de hacer celosías ópticas tiene algunas limitaciones. La longitud de onda de la luz láser determina la ubicación de las colinas y valles, y así la distancia entre los valles vecinos — y con eso el espacio entre los átomos — sólo puede reducirse a la mitad de la longitud de onda de la luz. Acercar los átomos a este límite podría activar interacciones mucho más fuertes entre ellos y revelar efectos que de otro modo permanecerían en la oscuridad.

Ahora, un equipo de científicos del Joint Quantum Institute (JQI), en colaboración con investigadores del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica en Innsbruck, Austria, ha eludido el límite de longitud de onda aprovechando las características cuánticas inherentes de los átomos, lo que debería permitir que los vecinos de la red atómica se acerquen más que nunca. La nueva técnica logra comprimir las suaves colinas de celosía en paredes empinadas separadas solo por una quincuagésima parte de la longitud de onda del láser, 25 veces más estrecha de lo que es posible con los métodos convencionales. La obra, que se basa en dos propuestas teóricas previas, fue publicado recientemente en Cartas de revisión física .

En la mayoría de las celosías ópticas, los átomos se ordenan repitiendo caídas suaves en la intensidad de la luz láser, un mecanismo que también funciona con objetos no cuánticos como bacterias o incluso perlas de vidrio. Pero esto ignora muchas características cuánticas inherentes de los átomos. A diferencia de las perlas de vidrio, átomos, impulsado por la luz láser de ciertos colores, pueden cambiar internamente entre diferentes versiones cuánticas de sí mismos, llamados estados. El equipo explota esta propiedad para construir celosías que reemplacen de manera efectiva las colinas onduladas con características puntiagudas.

"El truco es que no dependemos de la intensidad de la luz por sí sola, "explica Yang Wang, investigador postdoctoral en el JQI y autor principal del artículo. "En lugar de, utilizamos la luz como herramienta para facilitar un efecto mecánico cuántico. Y eso crea un nuevo tipo de paisaje para los átomos ".

Para crear esta celosía, los investigadores atrapan los átomos en un patrón de luz de dos tonos. Cada color se elige para que pueda cambiar el estado interno de un átomo por sí solo, pero cuando los dos colores se superponen, el color más intenso en cada punto se hace cargo y decide en qué estado interno aterriza el átomo. Pero este patrón no es uniforme:hay vastos valles donde el átomo prefiere un estado, interrumpido por tiras finas donde debería cambiar. Las reglas de la mecánica cuántica dictan que cada vez que un átomo cambia de estado, el átomo debe pagar un precio en forma de energía, como escalar una colina. Si bien una transición suave puede parecer un paseo dominical hacia el átomo, los grandes cambios en distancias más cortas se convierten rápidamente en una caminata cada vez más empinada. En el experimento, las tiras delgadas dentro del patrón de luz son tan estrechas, que al átomo le parecen muros infranqueables, por lo que los evita y se atasca en el medio.

Estas paredes afiladas son un primer paso importante en la búsqueda para acercar aún más los átomos. La nueva técnica todavía proporciona mucho espacio para que los átomos viajen dentro del ancho, llanuras planas, pero los investigadores planean reducir esta libertad agregando más barreras. "A medida que tomamos medidas para confinar los átomos cada vez más, los efectos cuánticos entre los átomos deberían ser cada vez más importantes, "dice Trey Porto, becario de JQI y autor del artículo. "Esto tiene un efecto secundario práctico, porque también aumenta la temperatura a la que debemos estar para ver un comportamiento cuántico extraño. El enfriamiento es bastante difícil, así que esto haría que la física que buscamos sea más fácilmente alcanzable ".

El equipo de investigación dice que esta herramienta también puede ser útil para futuros experimentos de química cuántica. permitiendo a los científicos acercar los átomos lo suficiente para participar en una pequeña escala, reacción altamente controlada.