Los físicos organizan los átomos muy próximos

Dado que las interacciones entre átomos son más significativas cuando las partículas están cerca unas de otras, la proximidad es esencial para muchos fenómenos cuánticos. Los científicos organizan los átomos lo más cerca posible en varios simuladores cuánticos para crear nuevos materiales cuánticos e investigar estados inusuales de la materia.

Por lo general, lo logran enfriando los átomos hasta detenerlos y luego colocando las partículas lo más juntas posible, hasta un máximo de 500 nanómetros, dependiendo de la longitud de onda de la luz. Ahora, los científicos del MIT han creado un método que les permite disponer los átomos mucho más juntos, hasta sólo 50 nanómetros. El ancho de un glóbulo rojo es de aproximadamente 1.000 nanómetros, como referencia.

Los físicos mostraron su novedoso método con experimentos utilizando el átomo más magnético de la naturaleza, el disprosio. Utilizando el novedoso método, manipularon dos capas de átomos de disprosio, colocando las capas exactamente a 50 nanómetros de distancia. Las interacciones magnéticas fueron 1.000 veces mayores en esta proximidad extrema que si las capas estuvieran separadas 500 nanómetros.

Además, los científicos pudieron cuantificar dos efectos novedosos provocados por la proximidad de los átomos. Además de las oscilaciones sincronizadas entre capas, sus mayores fuerzas magnéticas dieron como resultado la “termalización” o transferencia de calor de una capa a otra. A medida que las capas se alejaron, estos impactos disminuyeron.

Wolfgang Ketterle, profesor de física John D. MacArthur en el MIT, dijo: “Hemos pasado de posicionar átomos a una distancia de 500 nanómetros a 50 nanómetros, y hay mucho que se puede hacer con esto. A 50 nanómetros, el comportamiento de los átomos es tan diferente que aquí estamos entrando en un nuevo régimen”.

Los científicos dicen que este nuevo enfoque se puede aplicar a muchos otros átomos para estudiar fenómenos cuánticos. Ahora, el equipo planea utilizar la técnica para manipular átomos en configuraciones que podrían generar la primera puerta cuántica puramente magnética, un componente fundamental para una nueva computadora cuántica.

Los físicos del MIT desarrollaron una técnica para organizar los átomos (representados como esferas con flechas) mucho más cerca de lo que antes era posible, hasta 50 nanómetros. El grupo planea utilizar el método para manipular átomos en configuraciones que podrían generar la primera puerta cuántica puramente magnética, un componente clave para un nuevo tipo de computadora cuántica. En esta imagen, la interacción magnética está representada por líneas de colores. Créditos:Imagen: Cortesía de los investigadores; Noticias del MIT

Los científicos suelen comenzar enfriando una nube de átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto para gestionarlos y organizarlos. Luego, acorralan los átomos en una trampa óptica utilizando un sistema de rayos láser.

Una onda electromagnética con una longitud de onda particular (la separación entre los máximos del campo eléctrico) y una frecuencia constituye la luz láser. La longitud de onda establece el llamado límite de resolución óptica, o el patrón más pequeño en el que se puede formar la luz, en alrededor de 500 nanómetros. Los átomos se ubicarán en los puntos de mayor intensidad del láser porque frecuencias específicas de la luz láser atraen a los átomos. Debido a esto, los enfoques actuales han restringido la capacidad de posicionar partículas atómicas a corta distancia, lo que hace imposible investigar fenómenos que ocurren a distancias mucho más cortas.

Ketterle dijo: “Las técnicas convencionales se detienen en 500 nanómetros, y no están limitadas por los átomos sino por la longitud de onda de la luz. Ahora hemos encontrado un nuevo truco con la luz que nos permite superar ese límite”.

Al igual que los métodos existentes, la nueva estrategia del equipo comienza enfriando una nube de átomos a una temperatura de aproximadamente un microkelvin, que es sólo un poco superior al cero absoluto. En este punto, los átomos casi se detienen. Luego, los físicos pueden manipular las partículas congeladas utilizando láseres para lograr las configuraciones deseadas.

Luego, los científicos trabajaron con dos rayos láser, cada uno con una frecuencia, color y polarización circular o dirección diferente del campo eléctrico del láser.

Los átomos en una nube de átomos superenfriada pueden alinear su giro en direcciones opuestas, siguiendo la polarización de cualquiera de los láseres cuando los dos rayos pasan sobre él. Debido a los haces se producen dos grupos de los mismos átomos, pero con espines diferentes. Con un período espacial de 500 nanómetros, cada rayo láser creó una onda estacionaria, un patrón periódico de intensidad del campo eléctrico.

Dependiendo del giro de los átomos, cada onda estacionaria atraía y contenía uno de los dos grupos de átomos debido a sus distintas polarizaciones. Los átomos que gravitan hacia los picos de cada láser podrían estar separados por los mismos 50 nanómetros si los láseres estuvieran sintonizados y superpuestos para tener una separación entre sus picos de sólo 50 nanómetros.

Sin embargo, para que esto ocurra, los láseres deben ser increíblemente estables e inmunes a cualquier ruido exterior, como vibraciones o incluso la respiración, durante todo el experimento. Al guiar los dos láseres a través de una fibra óptica, el equipo pudo bloquear los haces de luz entre sí y estabilizar ambos láseres.

Usted dijo, “La idea de enviar ambos rayos a través de la fibra óptica significaba que toda la máquina podía temblar violentamente, pero los dos rayos láser se mantenían estables entre sí”.

El equipo empleó átomos de disprosio, un metal de tierras raras que es uno de los elementos de la tabla periódica con las propiedades magnéticas más altas, especialmente a temperaturas ultrafrías, como sujeto de prueba para su novedosa técnica. Incluso a 500 nanómetros, las interacciones magnéticas del elemento son comparativamente débiles a escala atómica. Los científicos razonaron que si su nuevo método pudiera espaciar los átomos de disprosio a una distancia de hasta 50 nanómetros, podrían ver el surgimiento de interacciones que de otro modo serían débiles entre las partículas magnéticas. Al igual que con los imanes de refrigerador comunes, la atracción magnética entre los átomos aumenta con la proximidad.

Ketterle dice, “De repente podríamos tener interacciones magnéticas, que antes eran casi insignificantes pero que ahora son fuertes”.

Utilizando este método, los científicos dividieron los átomos de disprosio en dos grupos de espín, o capas, enfriando primero los átomos y luego dejando pasar dos láseres. Después de estabilizar los láseres con una fibra óptica, descubrieron que las dos capas de átomos de disprosio gravitaban hacia sus respectivos picos de láser. Esto resultó en una separación de las capas de átomos de 50 nanómetros, la distancia más cercana lograda por cualquier experimento con átomos ultrafríos hasta la fecha.

Las conexiones magnéticas inherentes de los átomos se fortalecieron enormemente a esta distancia increíblemente estrecha, 1.000 veces más fuertes de lo que habrían sido a 500 nanómetros. Como resultado de estas interacciones, el equipo observó dos nuevos fenómenos cuánticos: la termalización, en la que el calor se transfería de una capa a otra únicamente a través de fluctuaciones magnéticas en los átomos, y la oscilación colectiva, en la que las vibraciones de una capa provocaban las vibraciones de la otra capa vibre al unísono.

De dicho, “Hasta ahora, el calor entre átomos sólo podía intercambiarse cuando estaban en el mismo espacio físico y podían chocar” De las notas. “Ahora hemos visto capas atómicas, separadas por el vacío, que intercambian calor a través de campos magnéticos fluctuantes”.

Estamos incorporando métodos de superresolución al campo y se convertirán en una herramienta general para simulaciones cuánticas”. dice Ketterle. “Hay muchas variantes posibles y estamos trabajando en ellas”.

Referencia de la revista:

2024-05-06 15:03:35
1715008463
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