Los investigadores han demostrado cómo se pueden manipular los efectos topológicos en un sólido construido artificialmente utilizando campos magnéticos para activar o desactivar las interacciones entre partículas, lo que podría allanar el camino para avances en las tecnologías cuánticas. Sus experimentos, que implicaron bombeo topológico en sistemas de átomos fermiónicos de potasio fríos atrapados en redes creadas con láser, demostraron que estos sistemas pueden transportar partículas de manera robusta en direcciones predecibles, incluso cuando encuentran barreras que invierten su movimiento.
Generalmente, se recomienda no comparar manzanas con naranjas. Sin embargo, en el campo de la topología, una rama de las matemáticas, esta comparación es necesaria. Resulta que se dice que las manzanas y las naranjas son topológicamente iguales, ya que ambas carecen de un agujero, a diferencia de los donuts o las tazas de café, por ejemplo, que tienen uno (el asa en el caso de la taza) y, por lo tanto, , son topológicamente iguales.
De una manera más abstracta, los sistemas cuánticos en física también pueden tener una topología específica de manzana o dona, que se manifiesta en los estados de energía y el movimiento de las partículas. Los investigadores están muy interesados en estos sistemas porque su topología los hace resistentes al desorden y otras influencias perturbadoras que siempre están presentes en los sistemas físicos naturales.
Las cosas se vuelven especialmente interesantes si, además, las partículas de un sistema de este tipo interactúan, es decir, se atraen o se repelen entre sí, como los electrones en los sólidos. Sin embargo, estudiar la topología y las interacciones juntas en sólidos es extremadamente difícil. Un equipo de investigadores de la ETH dirigido por Tilman Esslinger ha logrado detectar efectos topológicos en un sólido artificial, en el que las interacciones se pueden activar o desactivar mediante campos magnéticos. Sus resultados, que acaban de publicarse en la revista científica Cienciapodría utilizarse en tecnologías cuánticas en el futuro.
Transporte por topología
Zijie Zhu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Esslinger y primer autor del estudio, y sus colegas construyeron el sólido artificial utilizando átomos extremadamente fríos (átomos de potasio fermiónicos), que quedaron atrapados en redes espacialmente periódicas utilizando rayos láser. Rayos láser adicionales provocaron que los niveles de energía de los sitios de la red adyacentes se movieran hacia arriba y hacia abajo periódicamente, sin sincronizarse entre sí. Después de un tiempo, los investigadores midieron las posiciones de los átomos en la red, inicialmente sin interacciones entre los átomos. En este experimento observaron que la topología en forma de dona de los estados de energía hacía que las partículas fueran transportadas por un sitio de la red, siempre en la misma dirección, en cada repetición del ciclo.
Los resultados de los investigadores de ETH como homenaje a Andy Warhol. La imagen muestra los resultados experimentales del bombeo topológico. Crédito: Grupo de Óptica Cuántica / ETH Zurich
“Esto se puede imaginar como la acción de un tornillo”, afirma Konrad Viebahn, postdoctorado sénior del equipo de Esslinger. El movimiento de atornillado es una rotación en el sentido de las agujas del reloj alrededor de su eje, pero como resultado el tornillo se mueve hacia adelante. Con cada revolución, el tornillo avanza una cierta distancia, que es independiente de la velocidad a la que se gira el tornillo. Este comportamiento, también conocido como bombeo topológico, es típico de determinados sistemas topológicos.
¿Pero qué pasa si el tornillo topa con un obstáculo? En el experimento de los investigadores de ETH, el obstáculo era un rayo láser adicional que restringía la libertad de movimiento de los átomos en dirección longitudinal. Después de aproximadamente 100 vueltas del tornillo, los átomos chocaron contra una pared. En la analogía utilizada anteriormente, la pared representa una topología de manzana en la que no puede tener lugar el bombeo topológico.
Regreso sorprendente
Sorprendentemente, los átomos no se detuvieron simplemente en la pared, sino que de repente dieron media vuelta. De este modo, el tornillo se movía hacia atrás, aunque seguía girando en el sentido de las agujas del reloj. Esslinger y su equipo explican este retorno por las dos topologías de donut que existen en la red: una con un donut que gira en el sentido de las agujas del reloj y otra que gira en la dirección opuesta. En la pared, los átomos pueden cambiar de una topología a otra, invirtiendo así su dirección de movimiento.
Ahora los investigadores activaron una interacción repulsiva entre los átomos y observaron lo que sucedía. Una vez más se llevaron una sorpresa: los átomos ahora giraron hacia una barrera invisible incluso antes de llegar a la pared del láser. “Utilizando cálculos de modelos, pudimos demostrar que la barrera invisible fue creada por los propios átomos a través de su repulsión mutua”, explica la estudiante de doctorado Anne-Sophie Walter.
Autopista Qubit para computadoras cuánticas
“Con estas observaciones hemos dado un gran paso hacia una mejor comprensión de los sistemas topológicos que interactúan”, afirma Esslinger, que estudia estos efectos en el marco de una subvención avanzada de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNF). Como próximo paso, quiere realizar más experimentos para investigar si el tornillo topológico es tan robusto como se esperaba con respecto al desorden y cómo se comportan los átomos en dos o tres dimensiones espaciales.
Esslinger también tiene en mente algunas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el transporte de átomos o iones mediante bombeo topológico podría usarse como una autopista de qubits para llevar los qubits (bits cuánticos) de las computadoras cuánticas a los lugares correctos sin calentarlos ni alterar sus estados cuánticos.
Referencia: “Reversión de derivas de Hall cuantificadas en límites topológicos que interactúan y no interactúan” por Zijie Zhu, Marius Gächter, Anne-Sophie Walter, Konrad Viebahn y Tilman Esslinger, 18 de abril de 2024, Science.
DOI: 10.1126/ciencia.adg3848
2024-04-26 19:13:59
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