Los físicos de Rice University, Matthew Foster y Seth Davis, quieren ver un desconcertante acertijo cuántico desde una perspectiva completamente nueva. Solo necesitan el punto de vista adecuado y un lugar más frío que el espacio profundo.

"Hay un proceso en la física que interactúa fuertemente en el que las partículas fundamentales, como electrones, pueden unirse y comportarse como si fueran una fracción de un electrón, "dijo Davis, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Foster. "Se llama fraccionamiento. Es una experiencia realmente exótica, proceso fundamental que se manifiesta teóricamente en muchos lugares. Puede tener algo que ver con la superconductividad de alta temperatura, y podría ser útil para construir computadoras cuánticas. Pero es muy difícil de entender y aún más difícil de medir ".

En un artículo reciente en Cartas de revisión física , Foster y Davis, ambos físicos teóricos, propuso un experimento para medir el fraccionamiento no en electrones sino en átomos tan fríos que siguen las mismas reglas cuánticas que dictan cómo se comportan los electrones en materiales cuánticos, una clase creciente de materiales con propiedades físicas y electrónicas exóticas que los gobiernos y la industria están buscando para computadoras y dispositivos electrónicos de próxima generación.

Los materiales cuánticos incluyen superconductores de alta temperatura, uno de los misterios más desconcertantes de la física, y materiales que presentan fases topológicas, que le valió a sus descubridores el Premio Nobel de Física 2016. Este último es el único lugar donde los físicos han medido inequívocamente el fraccionamiento, en un estado electrónico exótico llamado efecto Hall cuántico fraccional. En este estado, Los materiales planos bidimensionales conducen electricidad solo a lo largo de sus bordes unidimensionales.

"Ese es un ejemplo de 2-D, "dijo Foster, profesor asistente de física y astronomía en Rice. “Y está claro que la fraccionalización está ocurriendo allí porque si se mide la conductancia de estos estados de borde, se comportan como si estuvieran hechos de partículas que se comportan como un tercio de un electrón.

"No hay partículas reales que lleven un tercio de la carga eléctrica, ", dijo." Es solo el efecto de todos los electrones que se mueven juntos de tal manera que si se crea una excitación local, se comportará como un electrón con un tercio de carga ".

Foster y Davis dijeron que la principal motivación para describir su prueba atómica ultra fría era poder observar la fraccionalización en un sistema que es muy diferente del ejemplo de Hall cuántico fraccional.

"Lo que queremos es ver esta física en otro contexto de una manera inequívoca, "dijo Foster, miembro del Centro de Materiales Cuánticos de Rice (RCQM).

Su experimento propuesto exige que los átomos de enfriamiento por láser actúen como sustitutos de los electrones. En tales experimentos, los láseres se oponen al movimiento de los átomos, ralentizándolos progresivamente a temperaturas cada vez más frías. Los átomos fríos quedan atrapados por otros láseres que forman guías de ondas ópticas, Canales unidimensionales donde los átomos pueden moverse hacia la izquierda o hacia la derecha pero no pueden moverse entre sí. El comportamiento cuántico de los átomos en estas guías unidimensionales imita el comportamiento de los electrones en cables 1D.

"Se han desarrollado todos los elementos individuales del experimento, pero no creemos que se hayan reunido en una única configuración experimental, "Dijo Foster." Ahí es donde necesitamos la ayuda de experimentadores que son expertos en enfriamiento por láser ".

Para observar el fraccionamiento en un sistema ultrafrío, Foster y Davis proponen crear un conjunto de guías de ondas 1D paralelas que estén todas en el mismo plano bidimensional. Algunos átomos adicionales poblarían las guías 1D cerca del centro del experimento.

"Así que comenzaremos con los cables 1D ', 'o guías, y la densidad inicial en el medio, y luego soltaremos algunos de los láseres y permitiremos que los átomos interactúen entre los cables en una especie de malla 2-D, ", Dijo Foster." Podemos describir con mucha precisión el sistema 1D, donde las interacciones fuertes hacen que los átomos se comporten de manera correlacionada. Debido a que todo el sistema es mecánico cuántico y coherente, esas correlaciones deben quedar impresas en el sistema 2-D.

"Nuestra sonda está soltando ese aumento adicional de densidad y observa lo que hace, ", dijo." Si los átomos de las guías 1D no interactúan, entonces la protuberancia simplemente se extenderá entre los cables. Pero, si hubo fraccionamiento inicial debido a efectos correlacionados en los cables, lo que podemos calcular con seguridad es que la densidad hará algo completamente diferente. Irá en la otra dirección volando por los cables ".

Foster dijo que está interesado en discutir la viabilidad de la prueba con experimentadores atómicos ultrafríos.

"Sabemos que puede llevar años construir y perfeccionar algunas de las configuraciones experimentales para este tipo de experimentos, "Dijo Foster." Como teóricos, sabemos los ingredientes que necesitamos, pero no sabemos cuáles serán más difíciles de implementar o si puede ser más fácil modificar algunas configuraciones que otras. Ahí es donde necesitaremos la ayuda de nuestros colegas experimentales ".