Monika Aidelsburger utiliza un tipo especial de celosía óptica para simular fenómenos cuánticos de muchos cuerpos que de otro modo serían inaccesibles para la exploración experimental. Ahora se le ha otorgado una Beca de Iniciación ERC para continuar con este trabajo.

En la última década, investigadores dirigidos por el profesor Immanuel Bloch, quien tiene una Cátedra en Física Experimental en LMU, han desarrollado varias técnicas y estrategias para sondear los secretos del mundo cuántico. Se ha avanzado mucho, pero quedan muchos fenómenos de interés sin explorar, y los esquemas teóricos son a menudo difíciles de probar. El equipo de Bloch está interesado principalmente en las interacciones cuánticas que se pueden modelar utilizando gases ultrafríos atrapados en redes ópticas formadas por rayos láser. Dra. Monika Aidelsburger, líder de un grupo de investigación en el departamento de Bloch, ha sido galardonado con una Subvención Inicial altamente dotada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) para ampliar esta línea de trabajo. Su objetivo es utilizar átomos de iterbio ultrafríos atrapados en redes ópticas para simular modelos de comportamiento cuántico en materia condensada en una escala que es tres órdenes de magnitud mayor que en sólidos reales.

En efecto, Aidelsburger, quien también forma parte del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, espera llevar esta estrategia más lejos, y utilícelo para simular 'teorías de calibre de celosía', que describen interacciones fundamentales entre partículas en términos de "campos de calibre". En estos modelos, Los campos de materia (partículas de sustancia) se representan como puntos en una red ficticia, y los campos de fuerza que actúan sobre ellos están representados por los vínculos entre estos nodos. Las teorías del calibre de celosía son de importancia fundamental en muchas ramas de la física cuántica. No solo forman la base del modelo estándar de física de partículas, También se pueden aplicar a la física que subyace al comportamiento de los electrones que interactúan fuertemente en los sólidos, y puede explicar fenómenos importantes en electrodinámica cuántica. Por lo tanto, El enfoque experimental de Aidelsburger para simular teorías de calibre de celosía en celosías ópticas proporcionaría un vínculo entre la física clásica y cuántica, y permitir simulaciones análogas de fenómenos observados en entornos distintos a la física del estado sólido. La investigación de Aidelsburger se ha centrado hasta ahora en simular los efectos de los campos magnéticos. "Esto se debe a que los campos magnéticos también se pueden describir en términos de campos de calibre, ", explica. Los físicos esperan extender estas ideas y aplicarlas a otros fenómenos cuánticos de muchos cuerpos que han permanecido en gran parte inaccesibles.

Dos estados longevos

Actualmente se está diseñando la plataforma experimental y próximamente las mesas ópticas del laboratorio de Aidelsburger estarán adornadas con lentes y espejos cuidadosamente colocados. láseres y fibras ópticas. Las manipulaciones controladas de átomos ultrafríos en redes ópticas ya se han utilizado con éxito para sondear y simular fenómenos cuánticos que se han observado en sistemas de materia condensada. Estos experimentos se llevaron a cabo en condiciones en las que los átomos pueden 'hacer un túnel' entre los sitios de la red, aunque sus movimientos colectivos están influenciados por los parámetros globales de las celosías. La extensión de la estrategia a las teorías de calibre reticular requerirá un control específico del sitio sobre los movimientos de los átomos en la red.

Configurar un experimento de este tipo es extremadamente exigente, porque las simetrías inherentes a las teorías de gauge deben reproducirse con precisión. "Una implementación exitosa requiere el uso de enfoques completamente nuevos, "dice Aidelsburger." Esto conlleva un alto riesgo, pero tener un simulador cuántico funcional de tal modelo constituiría un avance tremendo ". El equipo de Bloch ha aprendido mucho sobre cómo mantener los gases cuánticos a temperaturas solo un poquito por encima del cero absoluto, generar y manipular redes ópticas y controlar los movimientos de los átomos de varios elementos como el rubidio, sodio y litio, por nombrar solo algunos. Los experimentos de Aidelsburger usarán átomos de yterrbio (Yb), porque exhiben dos estados cuánticos de larga duración, que los hacen particularmente útiles para las simulaciones planificadas. Se emplearán rayos láser fuertemente enfocados para controlar específicamente el sitio los movimientos de los átomos dentro de la red. En la simulación, los dos estados atómicos desempeñarán tanto el papel de las partículas de materia como de las partículas que median las fuerzas que actúan sobre ellas.

Es técnicamente factible acoplar el movimiento de los dos estados de larga duración de los átomos Yb en la red. "Este acoplamiento local nos permite por primera vez representar experimentalmente los bloques de construcción fundamentales de las teorías de calibre de celosía simples en un entorno experimental, "dice Aidelsburger. Además, la técnica se puede extender directamente a estructuras de celosía más grandes y dimensiones más altas. Esto permitiría a los investigadores simular teorías de calibre de celosía que juegan un papel importante tanto en la física de la materia condensada como en la electrodinámica cuántica utilizando procedimientos experimentales manejables. Ese sería un logro verdaderamente innovador. "Nuestra estrategia abre oportunidades experimentales completamente nuevas para explorar ciertos fenómenos y desarrollar ideas para nuevas teorías, "dice Aidelsburger.

Los finos ajustes

La perspectiva de poder trabajar durante los próximos años en el departamento de Immanuel Bloch como profesora titular fue una de las razones por las que decidió regresar a Múnich después de su período como postdoctorado en el Collège de France de París. "Los investigadores jóvenes necesitan perspectivas a más largo plazo, " ella dice, "especialmente si desean llevar a cabo una tarea experimental tan compleja y exigente". El diseño y la construcción de un nuevo sistema pueden tardar hasta tres años. Uno comienza con modelos simples, y pregunta si su simulación produce resultados que concuerden con los obtenidos con la teoría, o son compatibles con predicciones derivadas utilizando métodos numéricos bien establecidos, como las simulaciones de Monte Carlo. Estas pruebas sirven como una escala de calibración para experimentos y permiten a los investigadores ajustar las condiciones de manera apropiada y aumentar gradualmente el nivel de complejidad de los experimentos. Además, Los sistemas experimentales deben ser revisados ​​constantemente para asegurar que proporcionan una descripción correcta de los fenómenos que se propusieron describir. "Aquí es donde la colaboración estrecha con teóricos de otros campos es especialmente importante, "dice Aidelsburger." Los riesgos involucrados son considerables, ya que este es un territorio en gran parte desconocido para todos nosotros. Tenemos que unir áreas de la física muy diferentes. Tengo la ferviente esperanza de que los experimentos iniciales con modelos simples produzcan resultados que encuentren eco en diversas disciplinas ".

En los modelos más simples, los átomos de Yb pueden adoptar cualquiera de dos estados definidos, el estado fundamental y un único estado excitado metaestable. El objetivo es agregar progresivamente más estados al sistema, permitiendo implementar interacciones más complejas. Este sería un paso importante hacia el objetivo final de usar átomos ultrafríos para simular la fuerza nuclear fuerte:la interacción entre los quarks (los componentes fundamentales de los núcleos atómicos) y los gluones (las partículas de fuerza que mantienen unidos los núcleos atómicos). La última tarea requerirá la implementación de teorías de calibre de celosía mucho más complejas.

Ahora se pueden direccionar celdas individuales en celosías ópticas bidimensionales que constan de 100 × 100 átomos y controlar su ocupación. permitiendo observar en detalle los efectos dinámicos. Por lo tanto, es posible determinar si una celda de celosía en particular está ocupada en condiciones específicas, y el estado de cada átomo de la red se puede probar prácticamente en tiempo real. Con estos logros en su haber, Los físicos están en camino de hacer realidad la idea de un simulador cuántico que formuló el famoso físico estadounidense Richard Feynman en la década de 1980. "Esperamos que nuestra configuración allane el camino para investigar experimentalmente problemas fundamentales en la cromodinámica cuántica, ", dice Aidelsburger, antes de agregar un calificativo enfático:" Pero todavía estamos en el comienzo ".