Los átomos ultrafríos atrapados en trampas ópticas adecuadamente preparadas pueden organizarse en formas sorprendentemente complejas, estructuras hasta ahora no observadas, según científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia. De acuerdo con sus predicciones más recientes, la materia en las redes ópticas debe formar anillos cuánticos extensibles y no homogéneos de manera controlada.

Una celosía óptica es una estructura construida de luz, es decir, ondas electromagnéticas. Los láseres juegan un papel clave en la construcción de tales celosías. Cada láser genera una onda electromagnética con estrictamente definido, parámetros constantes que pueden modificarse casi arbitrariamente. Cuando los rayos láser coinciden correctamente, es posible crear una celosía con propiedades bien conocidas. Por superposición de ondas, se pueden obtener los mínimos de potencial, cuya disposición permite la simulación de los sistemas y modelos conocidos de la física del estado sólido. La ventaja de estos sistemas preparados es la forma relativamente sencilla de modificar las posiciones de estos mínimos, lo que en la práctica significa la posibilidad de preparar varios tipos de celosías.

"Si introducimos átomos seleccionados apropiadamente en un área del espacio que ha sido preparada de esta manera, se congregarán en las ubicaciones de mínimos potenciales. Sin embargo, hay una condición importante:los átomos deben enfriarse a temperaturas ultrabajas. Solo entonces su energía será lo suficientemente pequeña como para no salir de la sutil trampa preparada, "explica el Dr. Andrzej Ptok del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia.

Las estructuras formadas por átomos (o grupos de átomos) atrapados en la red óptica se asemejan a cristales. Dependiendo de la configuración de los rayos láser, pueden ser uno bidimensional o tridimensional. A diferencia de los cristales, están libres de defectos. Y lo que es más, mientras que en los cristales la posibilidad de modificar la estructura de la celosía es insignificante, las celosías ópticas son bastante fáciles de configurar. Todo lo que se necesita para cambiar las propiedades de la luz láser o los ángulos de corte de los rayos. Estas características hacen que las redes ópticas sean populares como simuladores cuánticos. Se pueden utilizar para reproducir varias configuraciones espaciales de átomos o grupos de átomos, incluso aquellos que no existen en la naturaleza.

En su investigación, los científicos de la FIP PAN trabajan con átomos atrapados en redes ópticas. Grupos de fermiones, es decir, átomos con espín de 1/2 (el espín es una característica cuántica que describe la rotación de partículas) se colocaron en sus sitios. En cada sitio, un cierto número de átomos tenían el espín orientado en una dirección (hacia arriba), y el resto, en la dirección opuesta (hacia abajo). La modificación de la interacción entre átomos de tal manera que sea atractiva conduce a la creación de pares de átomos, que corresponden a los pares de Cooper en superconductores, pares de electrones con espines opuestos en el mismo sitio de la red.

"Los parámetros de la red óptica se pueden utilizar para influir en la interacción entre átomos de diferentes espines atrapados en sitios individuales. Además, de tal manera que se pueda preparar un estado, que imitan los campos magnéticos externos aplicados en el sistema. Se da controlando las proporciones entre el número de átomos de diferente espín, "dice el Dr. Konrad J. Kapcia de IFJ PAN y señala que los sistemas preparados de esta manera pueden reproducir los efectos de campos magnéticos relativamente grandes sin necesidad de utilizar estos campos." Esto es posible porque sabemos cómo un campo magnético dado impactaría en la diferencia entre el número de partículas con espines opuestos, "explica los investigadores.

Según las predicciones de los físicos de Cracovia, una interesante separación de fases debería tener lugar en sistemas preparados de esta manera. Como resultado, estructura núcleo-capa formada por materia atrapada en una red óptica, un núcleo de átomos emparejados de una fase, rodeado por una capa de átomos emparejados de la segunda fase, se formará automáticamente.

"Toda la situación se puede representar con un ejemplo sabroso. Imagínese un plato de arroz con una salsa espesa. Con la preparación adecuada del plato, podemos afectar la posición relativa entre el arroz y la salsa. Por ejemplo, podemos preparar el sistema de tal forma que el arroz quede en el centro, mientras que la salsa forma un anillo a su alrededor. A partir de los mismos ingredientes también podemos construir el sistema inverso:en el medio del plato estará la salsa rodeada por un anillo del arroz. En nuestro caso, la placa es la trampa óptica con átomos y sus pares, y el arroz y la salsa son las dos fases, agrupando diferentes tipos de pares de átomos, "Describe el Dr. Ptok.

El trabajo de los físicos de IFJ PAN, publicado en Informes científicos , es de naturaleza teórica. Por su sencillez, sin embargo, Los sistemas descritos de átomos ultrafríos en trampas ópticas se pueden verificar rápidamente en experimentos de laboratorio. Los físicos de IFJ PAN predijeron que los átomos ultrafríos atrapados en redes ópticas pueden formar anillos cuánticos con una estructura no homogénea.