Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han "congelado instantáneamente" un cristal plano de 150 iones de berilio (átomos cargados eléctricamente), abriendo nuevas posibilidades para simular el magnetismo a escala cuántica y detectar señales de misteriosa materia oscura.

Muchos investigadores han intentado durante décadas enfriar objetos vibrantes que son lo suficientemente grandes como para ser visibles a simple vista hasta el punto en que tienen el movimiento mínimo permitido por la mecánica cuántica. la teoría que gobierna el comportamiento de la materia a escala atómica. Cuanto más frío mejor porque hace que el dispositivo sea más sensible, más estable y menos distorsionado, y por lo tanto, más útil para aplicaciones prácticas. Hasta ahora, sin embargo, los investigadores solo han podido reducir algunos tipos de vibraciones.

En el experimento NIST, Los campos magnéticos y eléctricos enfriaron y atraparon los iones de modo que formaron un disco de menos de 250 micrómetros (millonésimas de metro) de diámetro. El disco se considera un cristal porque los iones están dispuestos en un patrón que se repite regularmente.

Como se describe en Cartas de revisión física , Los investigadores del NIST enfriaron el cristal en solo 200 microsegundos (millonésimas de segundo) para que cada ion tuviera aproximadamente un tercio de la energía transportada por un solo fonón, un paquete de energía motriz en el cristal. Esto está muy cerca de la cantidad de energía en el estado cuántico más bajo posible de "base" para las llamadas vibraciones de "parche de tambor" del cristal. que son similares a los movimientos hacia arriba y hacia abajo de un tambor que golpea.

Los investigadores enfriaron y desaceleraron las 150 vibraciones del parche, uno para cada ion. (El siguiente video de simulación muestra ocho tipos de ejemplo de vibraciones de parche). El trabajo mostró que cientos de iones pueden calmarse colectivamente usando esta técnica, un avance significativo sobre la demostración anterior de otro grupo que enfría una línea de 18 iones.

Para vibraciones en las frecuencias enfriadas en esta demostración, un tercio de la energía transportada por un fonón corresponde a 50 microKelvin, o 50 millonésimas de grado por encima del cero absoluto (menos 459,67 ° F o menos 273,15 ° C), dijo el líder del grupo John Bollinger. Si bien no es una temperatura récord, este nivel está cerca del estado fundamental de la mecánica cuántica para todos los modos de parche, lo que significa que el movimiento térmico es pequeño para un sistema tan confinado, Bollinger señaló.

Para lograr tanto enfriamiento, los investigadores apuntaron dos láseres con frecuencias y niveles de potencia específicos al cristal. Los láseres acoplaron los niveles de energía de los iones de tal manera que indujeron al cristal de iones a perder energía sin aumentar su movimiento. Para la mayoría de las partículas de luz láser esparcidas por el cristal, los iones perdieron movimiento, enfriando el cristal.

El método no enfrió otros tipos de vibraciones, como el movimiento de lado a lado del cristal en forma de disco. Pero los movimientos del parche tienen los usos más prácticos. Solo las vibraciones del parche se utilizan en simulaciones cuánticas y sensores cuánticos.

Las vibraciones más frías del parche harán que el cristal de iones sea un simulador más realista del magnetismo cuántico. que puede ser difícil de calcular en computadoras convencionales. El enfriamiento del estado terrestre también debería permitir sistemas cuánticos entrelazados más complicados, haciendo posible mejores mediciones para aplicaciones de detección cuántica.

"Una aplicación de detección cuántica que nos entusiasma investigar es la detección de campos eléctricos muy débiles, "Dijo Bollinger." Con el enfriamiento del estado fundamental mejoramos nuestra capacidad para detectar campos eléctricos a un nivel que permite la búsqueda de ciertos tipos de materia oscura:axiones (partículas subatómicas hipotéticas) y fotones ocultos (portadores de fuerza aún no vistos). "

La investigación futura intentará enfriar cristales tridimensionales con un número mucho mayor de iones.