Muchas de las preguntas más importantes de la física se pueden responder con la ayuda de las teorías cuánticas de campos:son necesarias para describir la dinámica de muchas partículas que interactúan, y, por tanto, son tan importantes en la física del estado sólido como en la cosmología. A menudo, sin embargo, Es extremadamente complicado desarrollar un modelo teórico de campo cuántico para un problema específico, especialmente si el sistema en cuestión consta de muchas partículas que interactúan.

Ahora, un equipo de la TU Wien y la Universidad de Heidelberg ha desarrollado métodos con los que estos modelos se pueden obtener directamente a partir de mediciones experimentales. En lugar de comparar los resultados experimentales con las predicciones del modelo teórico, está, en cierto sentido, posible medir la teoría en sí. Esto ahora debería arrojar nueva luz sobre el complicado campo de la física cuántica de muchos cuerpos.

Simuladores cuánticos

En años recientes, ha ganado importancia un nuevo método de estudio de los sistemas físicos cuánticos:los llamados "simuladores cuánticos". "Simplemente no tenemos una descripción satisfactoria de algunos sistemas cuánticos, por ejemplo superconductores de alta temperatura. Otros sistemas simplemente no se pueden observar directamente, como el universo temprano poco después del Big Bang. Supongamos que todavía queremos aprender algo sobre tales sistemas cuánticos; luego simplemente elegimos otro sistema que se pueda controlar fácilmente en el laboratorio y lo ajustamos para que se comporte de manera similar al sistema que realmente nos interesa. Por ejemplo, Podemos utilizar experimentos con átomos ultrafríos para aprender sobre sistemas que de otro modo no podríamos estudiar en absoluto. ", explica Jörg Schmiedmayer del Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Viena (VCQ) en TU Wien. Esto es posible porque existen similitudes fundamentales entre diferentes descripciones físicas cuánticas de diferentes sistemas.

Pero no importa qué sistema cuántico se estudie, Los científicos siempre se encuentran con un problema fundamental:"Si hay demasiadas partículas involucradas, las fórmulas de la teoría cuántica se vuelven tan complicadas rápidamente que no pueden resolverse, ni siquiera con las mejores supercomputadoras del mundo, "explica Sebastian Erne." Es una pena, porque los sistemas que constan de muchas partículas son particularmente interesantes. En todos los días de la vida, siempre ocurre que muchas partículas juegan un papel al mismo tiempo ".

Deshacerse de los detalles

En general, no es posible resolver la teoría cuántica exacta para un sistema de muchas partículas, en el que se considera cada partícula. Uno tiene que encontrar una descripción cuántica simplificada que contenga todas las propiedades esenciales, pero ya no se basa en detalles sobre las partículas individuales. "Esto es similar a describir un gas, "explica Jörg Schmiedmayer." No estamos interesados ​​en cada átomo, pero en variables más generales como la presión y la temperatura ".

Pero, ¿cómo se llega a tales teorías para los sistemas de muchos cuerpos? Derivarlos puramente matemáticamente de las leyes de la naturaleza que se aplican a las partículas individuales es extremadamente complicado. Pero como ahora resulta, Esto no es necesario. "Hemos encontrado un método para leer la descripción teórica del campo cuántico directamente del experimento, "dice Schmiedmayer." En cierto sentido, la naturaleza proporciona las fórmulas, con el que hay que describirlo, todo por sí mismo."

Sabemos que toda teoría cuántica tiene que obedecer ciertas reglas formales; hablamos, por ejemplo, de correlaciones, propagadores, vértices Diagramas de Feynman:los componentes básicos de todo modelo físico cuántico. El equipo de investigación de TU Wien y la Universidad de Heidelberg ha encontrado una manera de hacer que estos componentes básicos individuales sean accesibles experimentalmente. Las mediciones experimentales dan como resultado una teoría cuántica obtenida empíricamente para un sistema de muchos cuerpos, sin tener que trabajar con papel y lápiz.

"Durante años, hemos sospechado que esto es teóricamente posible, pero no todos nos creyeron que realmente funciona, ", dice Jörg Schmiedmayer." Ahora hemos demostrado que teníamos razón, al observar un caso especial en el que la teoría también se puede encontrar y (en ciertos límites) resolver matemáticamente. Los resultados de nuestras mediciones proporcionan exactamente los mismos componentes básicos de la teoría ".

Nubes atómicas ultrafrías

El experimento se realizó con nubes de miles de átomos ultrafríos que están atrapados en una trampa magnética en un chip atómico. "A partir de los patrones de ondas cuánticas de estas nubes atómicas, podemos determinar las funciones de correlación de las cuales se pueden derivar los bloques de construcción básicos de la teoría apropiada, "explica Schmiedmayer.

Los resultados ya se han publicado en la revista. Revisión física X . El equipo espera que esto simplifique significativamente el estudio de los sistemas cuánticos de muchas partículas. Quizás arroje algo de luz sobre algunas de las grandes preguntas de la física.