Allí estaban en toda su extraña gloria cuántica:átomos de litio ultrafríos en la trampa óptica operada por el estudiante universitario de UC Santa Bárbara, Alec Cao, y sus colegas del grupo de física atómica de David Weld. Sostenida por láseres en forma regular, formación de celosía y "impulsado" por pulsos de energía, estos átomos estaban haciendo locuras.

"Fue un poco extraño, "Dijo Weld." Los átomos se bombearían en una dirección. A veces los empujaban en otra dirección. A veces se desgarraban y creaban estructuras que parecían ADN ".

Estos comportamientos nuevos e inesperados fueron el resultado de un experimento realizado por Cao, Weld y sus colegas para ampliar los límites de nuestro conocimiento del mundo cuántico. ¿Los resultados? Nuevas direcciones en el campo de la ingeniería cuántica dinámica, y un camino tentador hacia un vínculo entre la física clásica y la cuántica.

Su investigación se publica en la revista Investigación de revisión física .

"Suceden muchas cosas divertidas cuando se agita un sistema cuántico, "dijo Weld, cuyo laboratorio crea "sólidos artificiales" (retículas de baja dimensión de átomos ligeros y ultrafríos) para simular el comportamiento de las partículas de la mecánica cuántica en sólidos verdaderos más densamente empaquetados cuando se someten a fuerzas impulsoras. Los experimentos recientes fueron los últimos en una línea de razonamiento que se remonta a 1929, cuando el físico y premio Nobel Felix Bloch predijo por primera vez que dentro de los límites de una estructura cuántica periódica, una partícula cuántica bajo una fuerza constante oscilará.

"De hecho, chapotean de un lado a otro, que es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la materia, ", Dijo Weld. Si bien estas oscilaciones de Bloch en el espacio de posición se predijeron hace casi un siglo, se observaron directamente sólo hace relativamente poco tiempo; de hecho, el grupo de Weld fue el primero en verlos en 2018, con un método que los hacía a menudo rápidos, chapoteos infinitesimales grandes y lentos, y fácil de ver.

Una década atrás, otros experimentos agregaron una dependencia del tiempo al sistema oscilante de Bloch al someterlo a un adicional, fuerza periódica, y encontró una actividad aún más intensa. Se descubrieron oscilaciones sobre oscilaciones (super oscilaciones de Bloch).

Para este estudio, los investigadores llevaron el sistema un paso más allá, modificando el espacio en el que interactúan estos átomos.

"De hecho, estamos cambiando el enrejado, "dijo Weld, mediante la variación de las intensidades del láser y las fuerzas magnéticas externas que no solo agregaron una dependencia del tiempo sino que también curvaron la celosía, creando un campo de fuerza no homogéneo. Su método de crear grandes oscilaciones lentas, él agregó, "Nos dio la oportunidad de ver qué sucede cuando se tiene un sistema oscilante Bloch en un entorno no homogéneo".

Aquí es cuando las cosas se pusieron raras. Los átomos se dispararon hacia adelante y hacia atrás, a veces separándose, otras veces creando patrones en respuesta a los pulsos de energía que empujan la celosía de varias maneras.

"Podríamos seguir su progreso con números si trabajáramos duro en ello, ", Dijo Weld." Pero fue un poco difícil entender por qué hacen una cosa y no la otra ".

Fue una intuición de Cao, el autor principal del artículo, que condujo a una forma de descifrar el extraño comportamiento.

"Cuando investigamos la dinámica de todos los tiempos a la vez, vimos un desastre porque no había simetría subyacente, haciendo que la física sea difícil de interpretar, "dijo Cao, quien está comenzando su cuarto año en la Facultad de Estudios Creativos de UCSB.

Para dibujar la simetría, los investigadores simplificaron este comportamiento aparentemente caótico al eliminar una dimensión (en este caso, tiempo) mediante la utilización de una técnica matemática desarrollada inicialmente para observar la dinámica no lineal clásica llamada sección de Poincaré.

"En nuestro experimento, un intervalo de tiempo se establece según la forma en que modificamos periódicamente la red en el tiempo, "Dijo Cao." Cuando descartamos todos los tiempos 'intermedios' y observamos el comportamiento una vez cada período, la estructura y la belleza emergieron en las formas de las trayectorias porque estábamos respetando adecuadamente la simetría del sistema físico ". Observar el sistema solo en períodos basados ​​en este intervalo de tiempo produjo algo así como una representación en stop-motion de los complicados pero cíclicos movimientos de estos átomos .

"Lo que pensó Alec es que estos caminos, estas órbitas de Poincaré, nos dicen exactamente por qué en algunos regímenes de conducción los átomos se bombean, mientras que en otros regímenes de conducción los átomos se dispersan y rompen la función de onda, ", Agregó Weld. Una dirección que los investigadores podrían tomar desde aquí, él dijo, es utilizar este conocimiento para diseñar sistemas cuánticos para que tengan nuevos comportamientos a través de la conducción, con aplicaciones en campos florecientes como la computación cuántica topológica.

"Pero otra dirección que podemos tomar es ver si podemos estudiar el surgimiento del caos cuántico a medida que comenzamos a hacer cosas como agregar interacciones a un sistema impulsado como este, "Dijo Weld.

No es poca cosa. Los físicos durante décadas han estado tratando de encontrar vínculos entre la física clásica y la cuántica, una matemática común que podría explicar conceptos en un campo que parecen no tener análogos en el otro. como el caos clásico, el lenguaje para el cual no existe en la mecánica cuántica.

"Probablemente hayas oído hablar del efecto mariposa:una mariposa que agita sus alas en el Caribe puede causar un tifón en algún lugar del mundo, ", dijo Weld." Eso es en realidad una característica de los sistemas caóticos clásicos, que tienen una dependencia sensible de las condiciones iniciales. Esa característica es realmente muy difícil de reproducir en los sistemas cuánticos; es desconcertante encontrar la misma explicación en los sistemas cuánticos. Así que esta es quizás una pequeña parte de ese cuerpo de investigación ".