Nuestra comprensión moderna del mundo físico se basa en teorías de calibre:modelos matemáticos de la física teórica que describen las interacciones entre partículas elementales (como electrones o quarks) y explican mecánicamente cuánticamente tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza:la electromagnética, la débil y la débil. fuerzas fuertes La cuarta fuerza fundamental, la gravedad, está descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein, que, aunque aún no se comprende en el régimen cuántico, también es una teoría de calibre. Las teorías de calibre también se pueden usar para explicar el exótico comportamiento cuántico de los electrones en ciertos materiales o los códigos de corrección de errores que las futuras computadoras cuánticas necesitarán para funcionar de manera confiable y son el caballo de batalla de la física moderna.

Para comprender mejor estas teorías, una posibilidad es realizarlas utilizando sistemas cuánticos artificiales y altamente controlables. Esta estrategia se denomina simulación cuántica y constituye un tipo especial de computación cuántica. Fue propuesta por primera vez por el físico Richard Feynman en los años 80, más de quince años después de haber sido galardonado con el premio Nobel de física por su trabajo teórico pionero sobre las teorías gauge.

La simulación cuántica puede verse como un juego cuántico de LEGO donde los físicos experimentales dan realidad a modelos teóricos abstractos. Los construyen en el laboratorio “ladrillo cuántico a ladrillo cuántico”, utilizando sistemas cuánticos muy bien controlados como átomos o iones ultrafríos. Después de ensamblar un prototipo cuántico de LEGO para un modelo específico, los investigadores pueden medir sus propiedades con mucha precisión en el laboratorio y usar sus resultados para comprender mejor la teoría que imita. Durante la última década, la simulación cuántica se ha explotado intensamente para investigar materiales cuánticos. Sin embargo, jugar el juego cuántico de LEGO con teorías de calibre es fundamentalmente más desafiante. Hasta ahora, solo la fuerza electromagnética podía investigarse de esta manera.

En un estudio reciente publicado en Nature , los investigadores experimentales del ICFO Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri y Cesar Cabrera, dirigidos por la ICREA Prof. del ICFO Leticia Tarruell, en colaboración con Alessio Celi, investigador teórico del programa Talent de la Universitat Autònoma de Barcelona, fueron capaces de simular una teoría de calibre distinta del electromagnetismo por primera vez, utilizando átomos ultrafríos.

Una teoría de calibre para fotones muy pesados

El equipo se propuso realizar en el laboratorio una teoría de medida perteneciente a la clase de teorías de medida topológicas, diferente de la clase de teorías de medida dinámicas a las que pertenece el electromagnetismo.

En el lenguaje de la teoría gauge, la fuerza electromagnética entre dos electrones surge cuando intercambian un fotón:una partícula de luz que puede propagarse incluso cuando no hay materia. Sin embargo, en materiales cuánticos bidimensionales sometidos a campos magnéticos muy fuertes, los fotones intercambiados por los electrones se comportan como si fueran extremadamente pesados ​​y solo pueden moverse mientras están adheridos a la materia.

Como resultado, los electrones tienen propiedades muy peculiares:solo pueden fluir a través de los bordes del material, en una dirección determinada por la orientación del campo magnético, y su carga se vuelve aparentemente fraccionaria. Este comportamiento se conoce como el efecto Hall cuántico fraccional y está descrito por la teoría de calibre de Chern-Simons (llamada así por los matemáticos que desarrollaron uno de sus elementos clave). El comportamiento de los electrones restringido a un solo borde del material también debería ser descrito por una teoría de calibre, en este caso llamada BF quiral, que fue propuesta en los años 90 pero no realizada en un laboratorio hasta que los investigadores del ICFO y la UAB la sacaron a la luz. del congelador.

Una nube ultrafría que no se comporta como su imagen especular

Para hacer realidad esta teoría topológica de calibre y simularla en su experimento, el equipo utilizó una nube de átomos enfriados a temperaturas de aproximadamente una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. Como especie atómica, eligieron el potasio, porque uno de sus isótopos tiene dos estados que interactúan con diferentes fuerzas y pueden usarse como ladrillos cuánticos para construir la teoría de calibre BF quiral. Luego hicieron brillar una luz láser para combinar los dos estados en uno nuevo.

Esta técnica, llamada "vestir a los átomos con luz", les hizo adquirir peculiares interacciones cuya fuerza y ​​signo dependían de la velocidad de la nube. Finalmente, crearon una guía de ondas óptica que restringía el movimiento de los átomos a una línea y usaron láseres adicionales para patear la nube y hacer que se moviera a diferentes velocidades a lo largo de ella.

En condiciones normales, dejar que los átomos evolucionen libremente en la guía de ondas habría resultado en la expansión de la nube. Sin embargo, con la luz del apósito encendida, las imágenes de los átomos tomadas en el laboratorio mostraron un comportamiento completamente diferente.

Como explica Ramón Ramos, “en nuestro sistema, cuando los átomos se mueven hacia la derecha, sus interacciones son atractivas y cancelan el comportamiento de los átomos que intentan expandirse. Entonces, lo que realmente ves es que la forma de la nube sigue siendo la misma. palabras técnicas, nos dimos cuenta de un solitón. Pero, si los átomos se mueven hacia la izquierda, estos átomos se expanden como un gas normal".

La observación de átomos que se comportan de manera diferente cuando se mueven en direcciones opuestas demuestra que el sistema es quiral, es decir, diferente de su imagen especular. "Cuando observamos por primera vez el efecto de las interacciones quirales en nuestra nube atómica, no estábamos tratando de simular una teoría de calibre. Pero los datos eran tan hermosos e intrigantes que sentimos que realmente necesitábamos comprender mejor su significado. me hizo cambiar por completo los planes de investigación del equipo”, dice Leticia Tarruell.

El equipo descubrió rápidamente que sus observaciones estaban conectadas con un artículo teórico publicado diez años antes, que proponía utilizar una configuración casi idéntica para estudiar un tipo modificado de electromagnetismo. Sin embargo, los resultados del experimento nunca parecieron estar de acuerdo con sus expectativas. Como recuerda Craig Chisholm, inicialmente "los resultados que estábamos obteniendo no parecían en absoluto alineados con ninguna de las teorías. El desafío era entender en qué régimen tenías que estar para ver realmente el efecto correcto proveniente del lugar correcto y eliminar el efecto que viene del lugar equivocado".

Para el equipo experimental, el significado del electromagnetismo modificado mencionado en el artículo tampoco estaba muy claro. Citó artículos de física matemática de los años 90, que establecieron la conexión con las teorías de calibre utilizadas para describir el efecto Hall cuántico fraccional. Sin embargo, como dice Tarruell, “para los físicos atómicos experimentales como nosotros, el contenido de estos trabajos era muy difícil de entender, porque estaban escritos en un lenguaje de física matemática completamente diferente al nuestro. Fue realmente frustrante saber que la respuesta a nuestras preguntas estaba ahí, ¡pero no podíamos entenderlo! Fue entonces cuando decidimos que necesitábamos traer a un teórico a la escena".

Una colaboración teoría-experimento muy fructífera

Para el físico teórico Alessio Celi, que había trabajado durante muchos años en la física de alta energía y la gravedad antes de cambiar a la simulación cuántica, leer los artículos originales de la teoría de calibre fue fácil. Al mismo tiempo, pudo comprender el régimen en el que se podían realizar los experimentos y sus desafíos. Se sentó con el equipo experimental y, después de varias discusiones, ideó un modelo que podría explicar adecuadamente los resultados experimentales.

Según explica, “el principal problema que teníamos era entrar en el marco adecuado. Una vez que sabías dónde buscar, se convertía en un problema fácil de resolver”. Sorprendentemente, había un régimen de parámetros en el que este modelo era exactamente la teoría de calibre topológica propuesta 30 años antes para describir el comportamiento de los electrones en los bordes de los materiales Hall cuánticos fraccionarios.

"Creo que este proyecto nos muestra la fuerza de las colaboraciones interdisciplinarias. La combinación de herramientas experimentales de física de temperatura ultrabaja y herramientas teóricas de física de alta energía nos ha convertido a todos en mejores físicos y ha resultado en la primera simulación cuántica de una teoría de calibre topológica". concluye Tarruell.

El equipo ya está listo para explorar las nuevas direcciones de investigación abiertas por este proyecto. Su objetivo ahora es tratar de expandir los experimentos y la teoría de una línea a un plano, lo que les permitiría observar el efecto Hall cuántico fraccional sin la necesidad de un material cuántico. Esto daría acceso a cuasipartículas exóticas, llamadas anyons, que en el futuro podrían usarse para formas más robustas de computación cuántica. + Explora más

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