Los físicos de ETH Zurich han observado un giro sorprendente en un sistema cuántico causado por la interacción entre la disipación de energía y la dinámica cuántica coherente. Para explicarlo, encontraron una analogía concreta con la mecánica.

"Ningún científico piensa en fórmulas, "Albert Einstein supuestamente le dijo una vez a su colega Leopold Infeld. De hecho, especialmente para los físicos, que se ocupan de cosas tan abstractas como la física cuántica, A menudo es inmensamente útil trabajar con imágenes concretas en lugar de símbolos matemáticos. Un equipo de investigadores dirigido por Tilman Esslinger, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich, Experimentó esto cuando recientemente descubrieron un nuevo efecto en su sistema mecánico cuántico. Aunque estaban estudiando átomos diminutos y partículas de luz en su experimento, pudieron comprender mejor sus observaciones a través de una imagen pegadiza:un eje girando dentro de un rodamiento. Sus resultados han sido publicados recientemente en la revista Ciencias .

Un sistema cuántico complejo

"Realmente no habíamos estado buscando ese efecto en absoluto, ", dice Esslinger." Sólo en retrospectiva entendimos lo que significan nuestros datos ". Él y sus compañeros de trabajo habían abordado un tema muy complejo:un sistema cuántico en el que las partículas individuales interactúan fuertemente entre sí y que es impulsado simultáneamente desde el exterior y también disipativo. "Disipativo" significa que los estados cuánticos de las partículas no solo evolucionan coherentemente en el tiempo, es decir, de manera que sus estados de superposición permanezcan intactos. Bastante, una conexión controlada con el mundo exterior hace que los estados de superposición vayan desapareciendo poco a poco. Si la disipación es muy fuerte, desaparecen muy rápido, y como resultado, las partículas se comportan casi como en la física clásica, que conocemos por la experiencia diaria. Sin disipación alguna, por otra parte, La forma en que el sistema de partículas evoluciona en el tiempo está dictada puramente por la mecánica cuántica, un caso ideal que utilizan los físicos para construir computadoras cuánticas. por ejemplo.

Patrones atómicos

"Esos dos extremos se pueden calcular y comprender bastante bien, "explica Tobias Donner, que trabaja como científico principal en el laboratorio de Esslinger. "Por el contrario, es mucho más difícil lidiar con sistemas en el medio, donde la evolución y la disipación coherentes son igualmente importantes ". Para construir un sistema cuántico de este tipo en el laboratorio, los físicos enfriaron los átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto de alrededor de -273 grados Celsius y los expusieron a un rayo láser enfocado que atrapa e impulsa a los átomos dentro de una especie de red hecha de luz. Cada átomo también tiene un "giro" que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo (como la aguja de una brújula que apunta hacia el norte o el sur). Además de eso, los átomos fríos están rodeados dentro de una cavidad por dos espejos que reflejan la luz esparcida por los átomos hacia adelante y hacia atrás.

La interacción entre los átomos, el rayo láser y la luz en la cavidad ahora hacen que los átomos se organicen espontáneamente en un patrón de tablero de ajedrez. Esto puede suceder de dos formas distintas. En uno de ellos hay átomos solo en los cuadrados "blancos", como si fuera, mientras que los cuadrados negros permanecen vacíos (ver figura). En el otro caso también hay dos tipos de cuadrados, rojo y verde, pero ahora los cuadrados rojos solo están ocupados por átomos cuyos espines apuntan hacia arriba, mientras que en los cuadrados verdes solo hay átomos cuyos espines apuntan hacia abajo.

Giro sorprendente

Cuál de las dos alternativas prefieren los átomos depende de la dirección de oscilación del rayo láser que los irradia, estrictamente de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica, al menos, es decir, si los átomos no están expuestos a ninguna disipación. Cuando los físicos llevaron a cabo el experimento en un régimen en el que la influencia de la disipación (causada por la pérdida de fotones de la cavidad) era lo suficientemente grande, sucedió algo inusual. "Nuestros datos ya no nos mostraron uno de los dos patrones, sino que parecía como si los átomos estuvieran girando a través de los patrones una y otra vez, con un particular sentido de rotación, Esslinger describe los resultados inesperados:"Fue un descubrimiento emocionante, pero no teníamos ni idea de por qué estaba sucediendo".

Una fuerza inusual

Simplificando las ecuaciones de la mecánica cuántica que describen su experimento, los físicos finalmente pudieron descubrir una analogía con un sistema mecánico. De hecho, las fórmulas tenían un parecido sorprendente con las que describen un eje que gira dentro de un rodamiento. Entre el eje y el cojinete, hay un lubricante viscoso que se supone que asegura una rotación uniforme. Sin embargo, si el eje se aleja ligeramente del centro del rodamiento, surge un tipo de fuerza de fricción bastante inusual que depende de la posición del eje. La fuerza se produce porque en una dirección se reduce la distancia entre el eje giratorio y el cojinete estacionario, y, por tanto, sobre el eje y el cojinete actúan diferentes fuerzas de fricción. La fuerza resultante dependiente de la posición es perpendicular a la dirección en la que se ha movido el eje. Como consecuencia, el centro del eje comienza a girar en espiral alrededor del centro del rodamiento.

Ahora que los físicos pueden describir el inesperado efecto cuántico con una imagen concreta, ya están pensando en el siguiente paso:explotarlo para dirigir y controlar deliberadamente los sistemas cuánticos. "Normalmente, la disipación altera o debilita los efectos cuánticos existentes, pero aquí tenemos un efecto que en realidad debe su existencia a la disipación, ", dice Esslinger. Si los efectos similares podrían posiblemente estar más extendidos en los sistemas cuánticos, y cómo podrían usarse en las tecnologías cuánticas que se están desarrollando actualmente, son, por tanto, cuestiones que ahora están en la mente de los investigadores.