Un fenómeno físico exótico, que involucran ondas ópticas, campos magnéticos sintéticos, y cambio de tiempo, se ha observado directamente por primera vez, tras décadas de intentos. El nuevo hallazgo podría conducir a la realización de lo que se conoce como fases topológicas, y eventualmente a los avances hacia computadoras cuánticas tolerantes a fallas, dicen los investigadores.

El nuevo hallazgo involucra el efecto no abeliano Aharonov-Bohm y se informa hoy en la revista. Ciencias por el estudiante graduado del MIT Yi Yang, El académico visitante del MIT, Chao Peng (profesor de la Universidad de Pekín), Di Zhu, estudiante de posgrado del MIT, Profesor Hrvoje Buljan de la Universidad de Zagreb en Croacia, Francis Wright Davis Profesor de Física John Joannopoulos en MIT, Profesor Bo Zhen de la Universidad de Pennsylvania, y el profesor de física del MIT, Marin Soljacic.

El hallazgo se relaciona con campos de calibre, que describen las transformaciones que sufren las partículas. Los campos de calibre se dividen en dos clases, conocido como abeliano y no abeliano. El efecto Aharonov-Bohm, nombrado en honor a los teóricos que lo predijeron en 1959, confirmó que los campos de calibre, más allá de ser una ayuda matemática pura, tienen consecuencias físicas.

Pero las observaciones solo funcionaron en sistemas abelianos, o aquellos en los que los campos de calibre son conmutativos, es decir, tienen lugar de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. En 1975, Tai-Tsun Wu y Chen-Ning Yang generalizaron el efecto al régimen no abeliano como un experimento mental. Sin embargo, no quedó claro si sería posible observar el efecto en un sistema no abeliano. Los físicos carecían de formas de crear el efecto en el laboratorio, y también carecía de formas de detectar el efecto incluso si pudiera producirse. Ahora, Ambos acertijos se han resuelto, y las observaciones realizadas con éxito.

El efecto tiene que ver con uno de los aspectos extraños y contradictorios de la física moderna, el hecho de que prácticamente todos los fenómenos físicos fundamentales son invariantes en el tiempo. Eso significa que los detalles de la forma en que las partículas y las fuerzas interactúan pueden avanzar o retroceder en el tiempo, y una película de cómo se desarrollan los eventos se puede ejecutar en cualquier dirección, por lo que no hay forma de saber cuál es la versión real. Pero algunos fenómenos exóticos violan esta simetría temporal.

Crear la versión abeliana de los efectos de Aharonov-Bohm requiere romper la simetría de inversión del tiempo, una tarea desafiante en sí misma, Dice Soljacic. Pero para lograr la versión no abeliana del efecto se requiere romper esta inversión de tiempo varias veces, y de diferentes formas, convirtiéndolo en un desafío aún mayor.

Para producir el efecto, los investigadores utilizan la polarización de fotones. Luego, produjeron dos tipos diferentes de ruptura por inversión de tiempo. Utilizaron fibra óptica para producir dos tipos de campos de calibre que afectaban las fases geométricas de las ondas ópticas, primero enviándolos a través de un cristal sesgado por poderosos campos magnéticos, y segundo modulándolos con señales eléctricas variables en el tiempo, ambos rompen la simetría de inversión del tiempo. Luego pudieron producir patrones de interferencia que revelaron las diferencias en cómo se veía afectada la luz cuando se enviaba a través del sistema de fibra óptica en direcciones opuestas. en sentido horario o antihorario. Sin la ruptura de la invariancia de inversión del tiempo, las vigas deberían haber sido idénticas, pero en vez, sus patrones de interferencia revelaron conjuntos específicos de diferencias como se predijo, demostrando los detalles del efecto esquivo.

El original, La versión abeliana del efecto Aharonov-Bohm "se ha observado con una serie de esfuerzos experimentales, pero el efecto no abeliano no se ha observado hasta ahora, "Dice Yang. El hallazgo" nos permite hacer muchas cosas, " él dice, abriendo la puerta a una amplia variedad de experimentos potenciales, incluidos los regímenes físicos clásicos y cuánticos, para explorar variaciones del efecto.

El enfoque experimental ideado por este equipo "podría inspirar la realización de fases topológicas exóticas en simulaciones cuánticas utilizando fotones, polaritones, gases cuánticos, y qubits superconductores, "Dice Soljacic. Para la fotónica en sí, esto podría ser útil en una variedad de aplicaciones optoelectrónicas, él dice. Además, los campos gauge no abelianos que el grupo pudo sintetizar produjeron una fase de baya no abeliana, y "combinado con interacciones, Puede que algún día sirva como plataforma para la computación cuántica topológica tolerante a fallas, " él dice.

En este punto, el experimento es principalmente de interés para la investigación en física fundamental, con el objetivo de obtener una mejor comprensión de algunos fundamentos básicos de la teoría física moderna. Las numerosas aplicaciones prácticas posibles "requerirán avances adicionales en el futuro, "Dice Soljacic.

Por una cosa, para la computación cuántica, el experimento debería ampliarse de un solo dispositivo a probablemente una red completa de ellos. Y en lugar de los rayos de luz láser utilizados en su experimento, requeriría trabajar con una fuente de fotones individuales individuales. Pero incluso en su forma actual, el sistema podría utilizarse para explorar cuestiones de física topológica, que es un área muy activa de investigación actual, Dice Soljacic.