Cuando se toca una cuerda de guitarra, vibra como cualquier objeto vibrante, subiendo y bajando como una ola, como predicen las leyes de la física clásica. Pero bajo las leyes de la mecánica cuántica, que describen el funcionamiento de la física a escala atómica, Las vibraciones deben comportarse no solo como ondas, pero también como partículas. La misma cuerda de guitarra cuando se observa a nivel cuántico, deberían vibrar como unidades individuales de energía conocidas como fonones.

Ahora, los científicos del MIT y el Instituto Federal Suizo de Tecnología han creado y observado por primera vez un único fonón en un material común a temperatura ambiente.

Hasta ahora, fonones individuales solo se han observado a temperaturas ultra frías y en ingeniería precisa, materiales microscópicos que los investigadores deben sondear en el vacío. A diferencia de, el equipo ha creado y observado fonones individuales en un trozo de diamante al aire libre a temperatura ambiente. Los resultados, los investigadores escriben en un artículo publicado hoy en Revisión física X , "acercar el comportamiento cuántico a nuestra vida diaria".

"Existe una dicotomía entre nuestra experiencia diaria de lo que es una vibración, una onda, y lo que la mecánica cuántica nos dice que debe ser, una partícula, "dice Vivishek Sudhir, un postdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Nuestro experimento, porque se lleva a cabo en condiciones muy tangibles, rompe esta tensión entre nuestra experiencia diaria y lo que la física nos dice que debe ser el caso ".

La técnica que desarrolló el equipo ahora se puede utilizar para sondear otros materiales comunes en busca de vibraciones cuánticas. Esto puede ayudar a los investigadores a caracterizar los procesos atómicos en las células solares, así como identificar por qué ciertos materiales son superconductores a altas temperaturas. Desde una perspectiva de ingeniería, La técnica del equipo se puede utilizar para identificar materiales comunes portadores de teléfonos que pueden hacer interconexiones ideales. o líneas de transmisión, entre las computadoras cuánticas del futuro.

"Lo que significa nuestro trabajo es que ahora tenemos acceso a una paleta mucho más amplia de sistemas para elegir, "dice Sudhir, uno de los autores principales del artículo.

Los coautores de Sudhir son Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson, y Christophe Galland, del Instituto Federal Suizo de Tecnología.

"Democratizar la mecánica cuántica"

Fonones las partículas individuales de vibración descritas por la mecánica cuántica, también están asociados con el calor. Por ejemplo, cuando un cristal, hecho de celosías ordenadas de átomos interconectados, se calienta en un extremo, La mecánica cuántica predice que el calor viaja a través del cristal en forma de fonones, o vibraciones individuales de los enlaces entre moléculas.

Los fonones individuales han sido extremadamente difíciles de detectar, principalmente por su sensibilidad al calor. Los fonones son susceptibles a cualquier energía térmica superior a la propia. Si los fonones son inherentemente bajos en energía, luego, la exposición a energías térmicas más altas podría provocar que los fonones de un material se exciten en masa, haciendo de la detección de un solo fotón un esfuerzo de aguja en un pajar.

Los primeros esfuerzos para observar fonones individuales lo hicieron con materiales especialmente diseñados para albergar muy pocos fonones, a energías relativamente altas. Luego, estos investigadores sumergieron los materiales en refrigeradores de casi cero absoluto que Sudhir describe como "brutalmente, agresivamente frío, "para asegurar que la energía térmica circundante fuera menor que la energía de los fonones en el material.

"Si ese es el caso, entonces la vibración [fonón] no puede tomar prestada energía del entorno térmico para excitar más de un fonón, "Sudhir explica.

Luego, los investigadores dispararon un pulso de fotones (partículas de luz) en el material, esperando que un fotón interactúe con un solo fonón. Cuando eso pasa, el fotón, en un proceso conocido como dispersión Raman, debe reflejarse en una energía diferente que le imparte el fonón que interactúa. De este modo, los investigadores pudieron detectar fonones individuales, aunque a temperaturas ultra frías, y en materiales cuidadosamente diseñados.

"Lo que hemos hecho aquí es hacer la pregunta, ¿Cómo deshacerse de este entorno complicado que ha creado alrededor de este objeto? y llevar este efecto cuántico a nuestro entorno, para verlo en materiales más comunes, ", Dice Sudhir." Es como democratizar la mecánica cuántica en cierto sentido ".

Uno en un millón

Para el nuevo estudio, el equipo consideró al diamante como un sujeto de prueba. En diamante Los fonones operan naturalmente a altas frecuencias, de decenas de terahercios, tan alto que, a temperatura ambiente, la energía de un solo fonón es mayor que la energía térmica circundante.

"Cuando este cristal de diamante se asienta a temperatura ambiente, el movimiento del fonón ni siquiera existe, porque no hay energía a temperatura ambiente para excitar nada, "Dice Sudhir.

Dentro de esta mezcla vibratoriamente silenciosa de fonones, los investigadores tenían como objetivo excitar un solo teléfono. Enviaron pulsos de láser de alta frecuencia, que consta de 100 millones de fotones cada uno, en el diamante, un cristal formado por átomos de carbono, en caso de que uno de ellos interactúe y se refleje en un fonón. Luego, el equipo mediría la frecuencia disminuida del fotón involucrado en la colisión, la confirmación de que efectivamente había golpeado un fonón, aunque esta operación no podría discernir si uno o más fonones se excitaron en el proceso.

Para descifrar el número de fonones excitados, los investigadores enviaron un segundo pulso láser al diamante, a medida que la energía del fonón decaía gradualmente. Por cada fonón excitado por el primer pulso, este segundo pulso puede desexcitarlo, quitando esa energía en forma de una nueva, fotón de mayor energía. Si solo un fonón se excitó inicialmente, luego uno nuevo, Deberían crearse fotones de mayor frecuencia.

Para confirmar esto, los investigadores colocaron un vidrio semitransparente a través del cual este nuevo, un fotón de alta frecuencia saldría del diamante, junto con dos detectores a cada lado del vidrio. Los fotones no se dividen de modo que si se excitaron varios fonones y luego se desactivaron, los fotones resultantes deben atravesar el vidrio y dispersarse aleatoriamente en ambos detectores. Si solo un detector "hace clic, "que indica la detección de un solo fotón, el equipo puede estar seguro de que ese fotón interactuó con un solo fonón.

"Es un truco inteligente que jugamos para asegurarnos de que estamos observando un solo teléfono, "Dice Sudhir.

La probabilidad de que un fotón interactúe con un fonón es de aproximadamente uno en 10 mil millones. En sus experimentos, Los investigadores explotaron el diamante con 80 millones de pulsos por segundo, lo que Sudhir describe como un "tren de millones de miles de millones de fotones" durante varias horas. para detectar alrededor de 1 millón de interacciones fotón-fonón. En el final, ellos encontraron, con significación estadística, que fueron capaces de crear y detectar un solo cuanto de vibración.

"Esta es una especie de afirmación ambiciosa, y tenemos que tener cuidado de que la ciencia se haga con rigor, sin lugar a dudas razonables, "Dice Sudhir.

Al enviar su segundo pulso láser para verificar que realmente se estaban creando fonones únicos, los investigadores retrasaron este pulso, enviando dentro del diamante mientras el fonón excitado comenzaba a disminuir en energía. De este modo, pudieron deducir la manera en que decaía el fonón mismo.

"Entonces, no solo podemos sondear el nacimiento de un único fonón, pero también podemos sondear su muerte, "Sudhir dice." Ahora podemos decir, "Ve a utilizar esta técnica para estudiar cuánto tiempo tarda un único teléfono en extinguirse en el material que elijas". Ese número es muy útil. Si el tiempo que tarda en morir es muy largo, entonces ese material puede soportar fonones coherentes. Si ese es el caso, puedes hacer cosas interesantes con él, como el transporte térmico en células solares, e interconexiones entre computadoras cuánticas ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.