Ahora, los investigadores del ICFO (Barcelona, ​​España) Sandra Buob, Jonatan Höschele, el Dr. Vasiliy Makhalov y el Dr. Antonio Rubio-Abadal, dirigidos por la profesora ICREA del ICFO Leticia Tarruell, explican cómo construyeron su propio microscopio cuántico de gases, llamado QUIONE. en honor a la diosa griega de la nieve. El microscopio de gases cuánticos del grupo es el único en el mundo que captura átomos individuales de gases cuánticos de estroncio, así como el primero de su tipo en España.

La investigación del equipo se publica en la revista PRX Quantum. .

Más allá de las impactantes imágenes en las que se pueden distinguir los átomos individuales, el objetivo de QUIONE es la simulación cuántica. Como explica el profesor Tarruell, "la simulación cuántica se puede utilizar para reducir sistemas muy complicados a modelos más simples para comprender las preguntas abiertas que las computadoras actuales no pueden responder, como por qué algunos materiales conducen electricidad sin pérdidas incluso a temperaturas relativamente altas". /P>

La singularidad de este experimento radica en el hecho de que el equipo ha logrado llevar el gas de estroncio al régimen cuántico, colocarlo en una red óptica donde los átomos podrían interactuar mediante colisiones y luego aplicar las técnicas de imagen de un solo átomo. Estos tres ingredientes en conjunto hacen que el microscopio de gas cuántico de estroncio de ICFO sea único.

¿Por qué estroncio?

Hasta ahora, estas configuraciones de microscopio se basaban en átomos alcalinos, como el litio y el potasio, que tienen propiedades más simples en términos de su espectro óptico en comparación con los átomos alcalinotérreos como el estroncio. Esto significa que el estroncio ofrece más ingredientes con los que jugar en estos experimentos.

De hecho, en los últimos años, las propiedades únicas del estroncio lo han convertido en un elemento muy popular para aplicaciones en los campos de la computación cuántica y la simulación cuántica. Por ejemplo, una nube de átomos de estroncio se puede utilizar como procesador cuántico atómico, lo que podría resolver problemas que van más allá de las capacidades de los ordenadores clásicos actuales.

En definitiva, los investigadores del ICFO vieron un gran potencial para la simulación cuántica en el estroncio y comenzaron a construir su propio microscopio cuántico de gases. Así nació QUIONE.

QUIONE, un simulador cuántico de cristales reales

Para ello, el equipo primero redujo la temperatura del gas de estroncio. Utilizando la fuerza de varios rayos láser, redujeron la velocidad de los átomos hasta un punto en el que permanecían casi inmóviles, apenas moviéndose, y su temperatura se redujo casi al cero absoluto en apenas unos milisegundos. Después de este punto, las leyes de la mecánica cuántica gobernaron su comportamiento y los átomos mostraron nuevas características como la superposición cuántica y el entrelazamiento.

Después de eso, con la ayuda de láseres especiales, los investigadores activaron la red óptica, que mantiene los átomos dispuestos en una cuadrícula a lo largo del espacio.

"Puedes imaginarlo como un cartón de huevos, donde los sitios individuales son en realidad donde se ponen los huevos. Pero en lugar de huevos, tenemos átomos, y en lugar de un cartón, tenemos la red óptica", explica Buob, el primer autor. del artículo.

Los átomos en la huevera interactuaron entre sí, experimentando a veces túneles cuánticos para moverse de un lugar a otro. Esta dinámica cuántica entre átomos imita la de los electrones en ciertos materiales. Por tanto, el estudio de estos sistemas puede arrojar luz sobre el complejo comportamiento de determinados materiales, que es la idea clave de la simulación cuántica.

Los investigadores tomaron las imágenes con su microscopio tan pronto como el gas y la red óptica estuvieron listos y finalmente pudieron observar átomo por átomo su gas cuántico de estroncio. A estas alturas la construcción de QUIONE ya había sido un éxito, pero sus creadores querían sacarle aún más provecho.

Así, además de las fotografías, tomaron vídeos de los átomos y pudieron observar que, si bien los átomos debían permanecer quietos durante la toma de imágenes, a veces saltaban a un sitio cercano de la red. El fenómeno del túnel cuántico puede explicar esto.

"Los átomos estaban 'saltando' de un sitio a otro. Fue algo muy hermoso de ver, ya que literalmente estábamos siendo testigos de una manifestación directa de su comportamiento cuántico inherente", dice Buob.

Finalmente, el grupo de investigación utilizó su microscopio de gas cuántico para confirmar que el gas de estroncio era un superfluido, una fase cuántica de la materia que fluye sin viscosidad.

"De repente apagamos el láser de red para que los átomos pudieran expandirse en el espacio e interferir entre sí. Esto generó un patrón de interferencia debido a la dualidad onda-partícula de los átomos en el superfluido. Cuando nuestro equipo lo capturó, verificamos la presencia de superfluidez en la muestra", explica el Dr. Rubio-Abadal.

"Es un momento muy apasionante para la simulación cuántica", comenta el profesor Tarruell. "Ahora que hemos añadido el estroncio a la lista de microscopios cuánticos de gas disponibles, pronto podremos simular materiales más complejos y exóticos. Luego, se espera que surjan nuevas fases de la materia. Y también esperamos obtener datos mucho más computacionales. poder utilizar estas máquinas como computadoras cuánticas analógicas."