Cada tipo de átomo en el universo tiene una huella digital única:solo absorbe o emite luz en las energías particulares que coinciden con las órbitas permitidas de sus electrones. Esa huella dactilar permite a los científicos identificar un átomo donde sea que se encuentre. Un átomo de hidrógeno en el espacio exterior absorbe luz a las mismas energías que uno en la Tierra.

Si bien los físicos han aprendido cómo los campos eléctricos y magnéticos pueden manipular esta huella digital, el número de características que lo componen suele permanecer constante. En trabajo publicado el 3 de julio en la revista Naturaleza , Los investigadores de la Universidad de Chicago desafiaron este paradigma sacudiendo electrones con láseres para crear características "doppelganger" a nuevas energías, un avance que permite a los científicos crear partículas híbridas que son parte átomo y parte luz. con una amplia variedad de nuevos comportamientos.

La investigación es parte de un mayor esfuerzo en Assoc. El laboratorio del profesor Jonathan Simon para derribar las paredes entre la materia y la luz, para investigar sus propiedades fundamentales. Además de aprender cómo se comportan los materiales a nivel cuántico, este trabajo podría algún día ayudar a crear computadoras más poderosas o comunicaciones cuánticas virtualmente "imposibles de piratear".

Un paso en el camino para hacer materia a partir de la luz es hacer paquetes individuales de luz, llamados fotones, interactúan entre sí como lo hace la materia. (Normalmente, los fotones se desplazan a la velocidad de la luz y no reaccionan entre sí en absoluto).

"Para hacer que los fotones choquen entre sí, usamos átomos como intermediarios, "dijo el investigador postdoctoral Logan Clark, quien dirigió la investigación. "Pero nos encontrábamos con un problema porque los fotones solo interactúan con átomos cuyos orbitales electrónicos están a energías muy particulares. Así que preguntamos:¿Qué pasaría si pudiéramos hacer copias de los orbitales a las energías que queramos?"

Clark ya había desarrollado técnicas para manipular la materia cuántica agitándola —llamada ingeniería de Floquet— como parte de su doctorado. proyecto. El tipo correcto de agitación produce naturalmente copias de estados cuánticos a múltiples energías a lo largo del camino. "Siempre habíamos visto las copias como un efecto secundario más que como un objetivo, " él dijo, "Pero esta vez, sacudimos nuestros electrones con la intención específica de hacer las copias ".

Al variar la intensidad de un campo láser sintonizado con precisión a una resonancia atómica, el equipo pudo cambiar los orbitales de un electrón. Sacudir los orbitales variando periódicamente esta intensidad produjo las copias deseadas.

Pero estos doppelgangers vienen con una trampa importante:"Si bien el orbital atómico aparece en múltiples energías distintas, Es importante tener en cuenta que estas copias en realidad están unidas al original como marionetas, "explicó el investigador postdoctoral Nathan Schine, coautor del estudio. "Cuando cualquiera de las copias cambia, el original y todas las demás copias cambian con él ".

Al permitir que los fotones interactúen con estos átomos agitados, el equipo ha creado lo que ellos llaman "polaritones Floquet", cuasi-partículas que son parte luz y parte átomo, y a diferencia de los fotones regulares, interactúan entre sí con bastante fuerza. Estas interacciones son esenciales para hacer materia a partir de la luz. Hacer polaritones con átomos agitados puede dar a los polaritones mucha más flexibilidad para moverse y colisionar entre sí de nuevas formas.

"Los polaritones de floquet están llenos de sorpresas; seguimos entendiéndolos mejor, ", Dijo Clark." Nuestro próximo orden del día, aunque, será utilizar estos fotones en colisión para hacer "fluidos" topológicos de luz. Es un momento tremendamente emocionante ".

Tener copias de un estado atómico a múltiples energías también ofrece interesantes posibilidades para la conversión de frecuencia óptica, una herramienta clave para crear métodos seguros de comunicación cuántica.

"Resulta que sacudir cosas no solo es muy divertido, pero puede conducir a una ciencia realmente fascinante, "Dijo Clark.