Los físicos de ETH Zurich han desarrollado un nuevo enfoque para acoplar campos de calibre cuantificados a la materia ultra fría. El método podría ser la base de una plataforma versátil para abordar problemas que van desde la materia condensada hasta la física de alta energía.

La interacción entre campos y materia es un tema recurrente en toda la física. Los casos clásicos como las trayectorias de un cuerpo celeste que se mueve en el campo gravitacional de otros o el movimiento de un electrón en un campo magnético se comprenden muy bien. y se pueden hacer predicciones con asombrosa precisión. Sin embargo, cuando el carácter cuántico de las partículas y los campos involucrados debe tenerse en cuenta explícitamente, entonces la situación se vuelve compleja rápidamente. Y si, además, el campo depende del estado de las partículas que evolucionan en él, entonces los cálculos pueden quedar fuera del alcance incluso para las computadoras más potentes de la actualidad.

Las limitaciones de explorar regímenes de interacción dinámica entre campos y materia obstaculizan el progreso en áreas que van desde la física de la materia condensada hasta la física de altas energías. Pero hay un enfoque alternativo:en lugar de calcular la dinámica, simularlos. Famosamente, para sistemas planetarios, Los modelos mecánicos conocidos como orreries se construyeron mucho antes de que se desarrollaran las computadoras digitales. En años recientes, Los investigadores han desarrollado los llamados simuladores cuánticos en los que la dinámica desconocida de un sistema cuántico se emula utilizando otro. más controlable. Como informan hoy en la revista Física de la naturaleza , Frederik Görg y sus colegas del grupo de Tilman Esslinger en el Departamento de Física de ETH Zurich han logrado un progreso sustancial hacia los simuladores cuánticos que podrían emplearse para abordar clases generales de problemas donde la dinámica de la materia y los campos están acoplados.

Resultados difíciles de medir

Görg y col. no miró directamente a los campos gravitacionales o electromagnéticos, pero en los llamados campos de calibre. Estos son campos auxiliares que normalmente no son directamente observables en experimentos, pero tanto más poderoso como marco coherente para el tratamiento matemático de las interacciones entre partículas y campos. Como concepto central en física, Los campos de calibre ofrecen una ruta única para comprender las fuerzas:la fuerza electromagnética y las que mantienen unidas las partículas subatómicas. Como consecuencia, Existe un interés sustancial en las simulaciones cuánticas de campos de calibre, lo que podría proporcionar una nueva perspectiva de situaciones que actualmente no se pueden explorar en cálculos o simulaciones por computadora.

Una de las plataformas líderes en la actualidad para simular sistemas cuánticos complejos se basa en átomos que se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto y quedan atrapados en estructuras de celosía creadas por luz láser. Un avance importante en los últimos años ha sido la constatación de que los átomos se pueden utilizar para imitar el comportamiento de los electrones en un campo magnético. incluso si los átomos no tienen carga eléctrica. La clave para lograr esto es el uso de parámetros de control externos para dirigir el proceso de túnel cuántico mediante el cual los átomos se mueven entre sitios adyacentes de la red óptica. Mediante la adaptación adecuada de la fase compleja que las partículas cuánticas recogen en un evento de efecto túnel, conocido como fase de Peierls, se puede hacer que los átomos neutros se comporten con precisión como partículas cargadas que se mueven en un campo magnético. La dinámica de ingeniería en estos campos de calibre sintéticos se puede comparar con la de orreries clásicos, en el que los planetas modelo se mueven como si estuvieran sujetos a un tirón gravitacional sustancial de un cuerpo central, emulando el comportamiento de planetas reales.

Sacudiendo el campo

El grupo Esslinger y otros han utilizado la plataforma de átomos ultrafríos antes para crear campos de calibre artificiales resultantes de fases complejas de tunelización. Pero hasta ahora, estos campos diseñados eran intrínsecamente clásicos, y no incluyó la acción inversa de los átomos al campo indicador. De ahí la emoción de que Görg y sus colaboradores presenten ahora una forma flexible de lograr el acoplamiento entre átomos y campos de calibre. Proponen, e implementan, un procedimiento para hacer que la fase de Peierls dependa de cómo se distribuyen los átomos en la red. Cuando la distribución cambia como consecuencia de la interacción con el campo de calibre, el campo del indicador en sí se modifica. Esto es como si el planetario se acelerara o desacelerara dependiendo de la constelación planetaria (que no es necesaria para modelar la mecánica celeste simple, ya que se descuida la interacción entre planetas). En el caso de un simulador cuántico para campos de calibre cuántico, sin embargo, la interacción entre las partículas es un ingrediente esencial.

En los experimentos ahora reportados, los físicos de ETH crearon una red óptica que consta de 'dímeros, "cada uno hecho de dos sitios vecinos en los que los átomos fermiónicos pueden residir individualmente o en pares (ver la figura). El túnel entre los sitios del dímero se controla agitando la red en dos frecuencias diferentes con un actuador piezoeléctrico. Las frecuencias y Las fases de la modulación se eligen de modo que la fase de Peierls entre sitios dependa de si un átomo comparte su sitio dímero con otro átomo de espín opuesto o no (ver animación).

La generalidad importa

El paso hacia la ingeniería de campos de calibre que se acoplan a materia ultra fría es importante. Los átomos ultrafríos en redes ópticas ya están establecidos como una plataforma versátil para simulaciones cuánticas, incluida la emulación de fenómenos electrónicos complejos que ocurren en materiales de estado sólido. El trabajo actual de Görg et al., junto con los recientes avances relacionados de otros grupos, promete que en un futuro no muy lejano también se pueden abordar campos de calibre cuántico más complejos, en particular los que aparecen en la física de altas energías y desafían los enfoques de simulación clásicos actuales.

Una fuerza distintiva del enfoque de Görg et al. es que se puede utilizar para diseñar una variedad de diferentes campos de calibre cuantificados, más allá del escenario específico que exploraron experimentalmente en el artículo recién publicado, como muestran en base a consideraciones teóricas. Y como el trabajo también demuestra un control experimental exquisito sobre un sistema atómico de muchos cuerpos altamente sintonizable, ahora existe la perspectiva clara e intrigante de un planetario moderno que proporciona información no sobre los movimientos en el cielo, pero profundamente en el mundo cuántico.