Con sus esferas metálicas suspendidas que hacen ruido de un lado a otro, La cuna de Newton es más que un popular juguete de escritorio. Ha enseñado a una generación de estudiantes sobre la conservación del impulso y la energía. También es la inspiración para un experimento de Benjamin Lev, profesor asociado de física y física aplicada en la Universidad de Stanford, ha creado para estudiar sistemas cuánticos.

Lev y su grupo construyeron su propia versión cuántica de la cuna de Newton para responder preguntas sobre cómo el movimiento caótico de las partículas cuánticas finalmente conduce al equilibrio térmico en un proceso llamado termalización. Responder cómo esto ocurre en los sistemas cuánticos podría ayudar a desarrollar computadoras cuánticas, sensores y dispositivos, que Lev caracteriza como una "revolución de la ingeniería cuántica".

"Si queremos poder crear dispositivos que sean robustos y útiles, necesitamos entender cómo se comportan los sistemas cuánticos fuera de equilibrio, cuando son pateados, como la cuna de Newton, en un nivel tan fundamental como entendemos que para los sistemas clásicos, "Dijo Lev.

Con la cuna los investigadores observaron por primera vez cómo, después de inducir pequeñas cantidades de movimiento caótico, un sistema cuántico alcanza el equilibrio térmico. Publicaron sus hallazgos el 2 de mayo en Revisión física X .

Los resultados de estos experimentos, que no se ajustaba a las predicciones anteriores, han llevado a una teoría de cómo funciona este proceso en sistemas cuánticos.

Extremadamente frío, fuertemente magnético

El turbulento remolino de leche que se agrega al café es un ejemplo familiar de caos en el mundo no cuántico. Tiempo extraordinario, la mezcla de café se vuelve homogénea y, por lo tanto, alcanza el equilibrio. Lo que el laboratorio de Lev quería saber es cómo ocurre esta evolución en los sistemas cuánticos después de que inducen solo un toque de caos. A través de experimentos con su cuna, los investigadores fueron los primeros en observar este proceso tal como sucedió.

La cuna de Newton cuántica del laboratorio de Lev es diferente de cualquier cosa que haya visto en el cubículo de su compañero de trabajo. Los investigadores hacen brillar rayos láser a través de una cámara hermética para enfriar un gas de átomos hasta casi el cero absoluto, uno de los gases más fríos conocidos en el universo, y luego cargan esos átomos en una serie de tubos láser que actúan como la estructura de la La cuna de Newton. Cada una de las 700 cunas paralelas contiene alrededor de 50 átomos seguidos. Luego, otro láser patea los átomos, iniciando el movimiento de la cuna.

A diferencia de una cuna de Newton cuántica anterior desarrollada por David Weiss en Penn State, donde los átomos débilmente magnéticos ocuparon el lugar de las esferas metálicas de la cuna, La base del laboratorio de Lev incluye átomos fuertemente magnéticos.

Este trabajo se basa en el logro anterior del laboratorio de producir el primer gas cuántico del disprosio, un elemento altamente magnético, unido al terbio como el más magnético de todos los elementos. El presidente Obama le otorgó a Lev un Premio Presidencial de Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros por este hito en 2011. Fueron átomos de disprosio los que los investigadores cargaron en la cámara hermética.

Los investigadores pueden sintonizar cómo estos átomos afectan a sus vecinos. Pueden hacer que la cuna actúe como si los átomos no fueran magnéticos, de modo que producirá el movimiento periódico típico de la cuna de Newton. O pueden producir un movimiento caótico aumentando el magnetismo, como una cuna de Newton con imanes atados a las esferas.

Hasta ahora, Los físicos no han tenido una teoría de cómo surge la termalización en sistemas cuánticos sutilmente caóticos. Investigaciones anteriores con simulaciones computacionales han dado lugar a conclusiones variables. Ahora, a través de sus experimentos, los investigadores demostraron directamente que la oscilación de las cunas alcanzó el equilibrio en una secuencia de dos pasos exponenciales, que fue un resultado inesperado.

También confirmaron sus resultados experimentales en una extensa simulación por computadora. Basado en estos experimentos y simulaciones, el grupo desarrolló una teoría que explica sus hallazgos.

"Significa que podemos tener un teoría simple de cómo los sistemas cuánticos complicados como este se termalizan, "Lev dijo." Eso es hermoso porque te permite traducir eso a otros sistemas ".

Átomo por átomo

Ya, los investigadores han planeado varios experimentos para la cuna del Newton cuántico magnético y anticipan muchas más oportunidades para desarrollar este trabajo a medida que evoluciona la revolución cuántica.

"Las tecnologías láser muy sofisticadas pueden manipular sistemas átomo por átomo, "dijo Yijun Tang, estudiante de doctorado recién graduado en el laboratorio de Lev y autor principal del artículo. "Entonces, tal vez lo que podamos hacer vaya más allá de las cuestiones científicas fundamentales. Quizás, en algún momento, también podemos convertir estas tecnologías en algo más práctico ".

En experimentos por venir, los investigadores pueden agregar desorden a las trompas de la cuna, en forma de luz láser moteada, para ver si pueden crear una especie de vidrio cuántico que evade la termalización. Los experimentos que contribuyeron a este artículo se realizaron todos con una versión de isótopos de disprosio, llamados bosones, por lo que el grupo también planea repetir su trabajo con la versión alternativa, fermiones. No están seguros de si el cambio a fermiones marcará una diferencia en la termalización, Lev dijo:y recibirían otra sorpresa con agrado.