Dentro del ámbito de la mecánica cuántica, la generación de entrelazamiento cuántico sigue siendo uno de los objetivos más desafiantes. Entrelazamiento, simplemente pon, es cuando el estado cuántico de cada partícula o grupo de partículas no es independiente de los estados cuánticos de otras partículas o grupos, incluso en largas distancias. Las partículas enredadas siempre han fascinado a los físicos, como medir una partícula entrelazada puede resultar en un cambio en otra partícula entrelazada, Famosamente descartado como "acción espeluznante a distancia" por Einstein. Por ahora, Los físicos entienden este extraño efecto y cómo utilizarlo, por ejemplo para aumentar la sensibilidad de las mediciones. Sin embargo, los estados entrelazados son muy frágiles, ya que pueden ser fácilmente interrumpidos por la decoherencia. Los investigadores ya han creado estados entrelazados en átomos, fotones, electrones e iones, pero solo recientemente han comenzado los estudios para explorar el entrelazamiento en gases de moléculas polares.

"Las moléculas son muy atractivas para la simulación cuántica, información cuántica, y mediciones de precisión, "explicó la Dra. Ana María Rey, Profesor adjunto de física de la Universidad de Colorado en Boulder y miembro de JILA. La razón es que las moléculas tienen una gran cantidad de grados internos de libertad que pueden ser un recurso útil para la detección cuántica y las pruebas de física fundamental. Otro beneficio de usar moléculas en experimentos cuánticos es que las moléculas también tienen interacciones dipolares de largo alcance:en contraste con los átomos que tienen que chocar entre sí para interactuar, las moléculas pueden interactuar a distancia. "Las moléculas ofrecen grandes ventajas en comparación con los átomos, pero al mismo tiempo, son realmente difíciles de enfriar. De hecho, enfriar las moléculas hasta la degeneración cuántica (condición que se alcanza cuando están lo suficientemente frías como para hacer que dominen los efectos cuánticos) ha sido uno de los objetivos pendientes más buscados durante muchos años. El progreso ha sido muy lento, pero está sucediendo ahora ".

En 2019 JILA Fellow y profesor adjunto de la Universidad de Colorado, Roca, Jun Ye, finalmente logró este importante hito. El laboratorio de Ye logró enfriar moléculas que constan de un átomo de rubidio y un átomo de potasio hasta la degeneración cuántica y observar su naturaleza cuántica. Más recientemente, ha estado comprimiendo este gas molecular en una pila de matrices en forma de panqueque. El trabajo de los grupos de Rey y Ye investiga la nueva y emocionante física que surge debido a las interacciones dipolares en tales matrices en forma de panqueque.

La importancia de la geometría de panqueques

Las reacciones químicas son uno de los enemigos más perjudiciales para las moléculas de enfriamiento. Hace unos pocos años, El laboratorio de Ye pudo evitar reacciones químicas al tiempo que permitió que las moléculas interactuaran entre sí a través de interacciones dipolares al cargar las moléculas en una red 3D. Una celosía 3D se puede imaginar como un perfecto cristal de luz. En un retículo 3D, las moléculas están fijadas en sitios individuales del retículo sin moverse. Las moléculas luego interactúan a través de interacciones dipolares de la misma manera que interactúan los imanes:cuando se colocan uno al lado del otro, se repelen y cuando se colocan de la cabeza a la cola se atraen. En una celosía 3D, las moléculas experimentan interacciones tanto atractivas como repulsivas y, como consecuencia, en promedio, las interacciones entre moléculas se anulan entre sí. Es más, en el experimento de celosía 3D, la fracción de relleno molecular era muy baja, lo que quiere decir que las moléculas estaban en su mayoría bastante alejadas e interactuaban solo muy débilmente.

En un experimento reciente, sin embargo, el grupo Ye pudo aumentar la densidad comprimiendo un gas degenerado cuántico 3D en unos pocos panqueques, cada uno con una forma plana 2D. Dentro de un panqueque, el grupo Ye descubrió que es posible suprimir reacciones químicas indeseables y, además, fortalecer las interacciones de los dipolos. Esto se debe a que en una configuración 2D todas las moléculas se repelen y las interacciones no se promedian. La interesante observación realizada por los investigadores es que las fuertes interacciones dipolares en el panqueque también pueden hacer que el gas sea resistente a los efectos indeseables de desfase y reacciones químicas. Bilitewski declaró:Al estudiar esta forma, "conceptualmente, y esto está en el corazón de este trabajo, las interacciones entre las moléculas dependen de los estados cuánticos en los que se encuentran, y así en este confinamiento. Entonces, primero tienes que averiguar las interacciones en esta nueva geometría. Resulta que estos en realidad tienen propiedades muy beneficiosas para generar la dinámica colectiva que buscamos ". Pero la mejor noticia es que las interacciones no solo protegen el estado al obligar a que los dipolos moleculares estén todos alineados, pero también crean un enredo de forma natural. En palabras de Bilitewski:"el beneficio de esta sincronización colectiva es que el entrelazamiento que generamos se vuelve robusto a ciertos efectos que normalmente destruirían". Tales matrices entrelazadas de moléculas podrían tener aplicaciones para futuras mediciones de diversas cantidades, como campos eléctricos, con sensibilidad realzada por el enredo.

El trabajo realizado por el grupo de Rey ilustra la importancia de los efectos geométricos en los gases dipolares y los emocionantes fenómenos de muchos cuerpos que aún no se han explorado una vez que las moléculas se han llevado a la degeneración cuántica. Al teorizar sobre la importancia de esta forma 2D, Rey dijo:"gracias al increíble trabajo realizado por Thomas Bilitewski, hemos podido modelar su dinámica cuántica y demostrar que debería ser posible entrelazarlos, calculó todas las integrales necesarias para escribir un modelo efectivo, resolvió las ecuaciones de movimiento y demostró que se puede hacer que todo funcione para generar entrelazamientos a través de procesos de flip-flop inducidos por interacciones dipolares ".

La producción de gases moleculares ultrafríos en geometrías controlables apunta a nuevos descubrimientos y predicciones dentro del campo de la mecánica cuántica. "Esta observación fue una demostración de que las moléculas pueden explorar el magnetismo cuántico, "Rey agregó, "En otras palabras, las moléculas pueden comportarse como imanes cuánticos y emular el comportamiento de los electrones en los sólidos, por ejemplo. En nuestro trabajo reciente, hemos dado un paso adelante en esta dirección ". La propuesta presentada por los grupos Rey y Ye es solo el comienzo de toda la gran ciencia que aún no se ha estudiado con matrices de moléculas entrelazadas. Según Bilitewski:" todo esto es realmente emocionante en el sentido de que estamos explorando un régimen novedoso que recién ahora está disponible en el laboratorio ".