Las tecnologías cuánticas prometen una computación más rápida, un mejor desarrollo de fármacos y nuevas aplicaciones de detección. Sin embargo, los comportamientos cuánticos son difíciles de estudiar experimentalmente ya que la mayoría de los sistemas sólo pueden sostener los efectos cuánticos durante un corto tiempo.
"La razón por la que las misteriosas características de la física cuántica tienden a desaparecer tan rápidamente es un proceso llamado decoherencia", dijo Kaden Hazzard, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad Rice y autor correspondiente de un estudio publicado en Nature Physics .
"Ocurre cuando un sistema cuántico interactúa con su entorno y esto cambia la física. Cuanto más grande sea el sistema y mayores sean los acoplamientos con el entorno, más se comportará el sistema de una manera clásica, no cuántica, y usted perderá su capacidad. investigar cosas a nivel cuántico."
Los científicos y colaboradores de Rice pudieron prolongar el comportamiento cuántico en un sistema experimental casi 30 veces utilizando temperaturas ultrafrías y longitudes de onda láser para generar una "trampa mágica" que ayudó a retrasar el inicio de la decoherencia. El estudio es la primera demostración experimental de este tipo y proporciona un nuevo campo para estudiar las interacciones cuánticas.
El grupo de Simon Cornish en el Departamento de Física de la Universidad de Durham en el Reino Unido colaboró con Hazzard y su grupo en Rice para enfriar moléculas a mil millones de veces por debajo de la temperatura ambiente para crear un sistema mecánico cuántico único. Luego configuraron esas moléculas para que giraran mecánicamente cuánticamente, una situación análoga a la alineación y rotación de moléculas en sentido horario y antihorario al mismo tiempo, utilizando radiación de microondas.
"Cuando enfrías átomos o moléculas a estas temperaturas extremadamente bajas, puedes controlarlos con luz", dijo Cornish. "De hecho, puedes usar láseres para empujar los átomos y hacerlos ir a donde quieres que vayan. También puedes usar láseres para atraparlos o retenerlos, y eso te da un nivel de precisión y control que normalmente no tendrías". ."
Generalmente, la coherencia de este comportamiento giratorio en las moléculas ultrafrías decae en un período de tiempo muy corto. Hasta ahora, el estado cuántico más largo registrado de moléculas en rotación medía 1/20 de segundo. El grupo de Cornish, sin embargo, se inspiró en el trabajo teórico de Svetlana Kotochigova, de la Universidad de Temple, que sugería que una cierta longitud de onda "mágica" de la luz podría preservar la coherencia cuántica durante un período de tiempo más largo.
"El comportamiento cuántico se vuelve más prominente cuanto más frío es el sistema y lleva el comportamiento cuántico a escalas de mayor longitud", dijo Jonathan Stepp, un estudiante graduado del grupo de Hazzard. "Y tener láseres en la longitud de onda correcta puede 'atrapar' las moléculas, de modo que puedan girar al mismo tiempo, lo que preserva la coherencia cuántica durante más tiempo".
Cuando el grupo aplicó esta teoría en el laboratorio como una nueva técnica experimental, crearon una "trampa mágica" que mantuvo las moléculas girando mecánicamente cuánticamente durante un tiempo significativamente más largo. Si bien Hazzard pensó que esta trampa láser "mágica" podría aumentar la coherencia cuántica dos o tres veces, se sorprendió al ver que mantenía las moléculas girando uniformemente durante casi 1,5 segundos, un aumento de 30 veces.
"Aunque no me sorprende que haya funcionado, definitivamente me sorprende lo bien que funcionó", dijo Hazzard.
Zewen Zhang, otro estudiante de posgrado del grupo de Hazzard, dijo que la mejora de los tiempos de coherencia permitirá a los científicos estudiar cuestiones fundamentales sobre la interacción de la materia cuántica.
"A medida que los tiempos de coherencia se alargan, se revelan nuevos efectos", afirmó Zhang. "Podemos comenzar a explorar comparando las mediciones experimentales con nuestros cálculos. La mejora de la coherencia también es un paso para utilizar moléculas ultrafrías como plataforma para diversas tecnologías cuánticas".
"Aunque el comportamiento cuántico suena como algo muy exótico, en realidad es responsable de cosas que vemos todos los días, desde cómo los metales conducen la electricidad hasta cómo el sol produce la fusión", añadió Hazzard, miembro de la Iniciativa Cuántica Rice y el Instituto Smalley-Curl. "Si quieres fabricar nuevos materiales, nuevos sensores u otras tecnologías cuánticas, necesitas comprender lo que sucede a nivel cuántico, y esta investigación es un paso hacia el logro de nuevos conocimientos".
Más información: Philip D. Gregory et al, Coherencia rotacional de segunda escala e interacciones dipolares en un gas de moléculas polares ultrafrías, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02328-5
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Rice
