Científicos de EE.UU. crean dimensiones paralelas en un laboratorio
Científicos norteamericanos han conseguido crear dimensiones sintéticas excitando con láser unos átomos gigantes que representan un nuevo estado de la materia. Imitan las interacciones cuánticas que se producen cuando los electrones fluctúan más allá de las dimensiones clásicas.
Investigadores de la Universidad de Rice en Texas
han creado lo que llaman "dimensiones sintéticas" en las que pueden
observar las reacciones de los electrones fluctuando más allá de las
dimensiones físicas clásicas.
Esta investigación podría ser útil para comprender
mejor los mecanismos cuánticos que funcionan en experimentos o sistemas más
grandes, destacan los científicos en un comunicado.
Mientras nuestra vida cotidiana discurre en tres
aburridas dimensiones (ancho, profundidad y altura), los científicos están
explorando sistemas que pueden alcanzar "dimensiones sintéticas"
adicionales para explorar el mundo más allá de las dimensiones clásicas.
Para conseguirlo, han aprendido a controlar los
electrones en los átomos gigantes de Rydberg con tanta precisión que pueden
crear "dimensiones sintéticas" capaces de sustituir las dimensiones
espaciales adicionales y potenciar la investigación cuántica.
Un estado de Rydberg ocurre cuando un electrón en el
interior de un átomo se eleva energéticamente a un estado altamente excitado,
aumentando su órbita para hacer que el átomo sea miles de veces más grande de
lo normal. Se crea así un “átomo gigante”, lleno de átomos ordinarios.
Los átomos de Rydberg representan un nuevo estado de
la materia que fue comprobado en 2018 por científicos de la Universidad Técnica
(TU) de Viena, de la Universidad de Harvard y de la Universidad de Rice, tal
como informaron entonces en un artículo publicado en Physical Review Letters.
En la nueva investigación, desarrollo de esta
anterior, el equipo de Rice aplicó una técnica para crear los estados de
Rydberg de átomos de estroncio ultrafríos mediante la aplicación de campos
eléctricos de microondas resonantes, que les permitieron acoplar muchos estados
o dimensiones de esos átomos.
Los investigadores aplicaron microondas para acoplar
niveles de energía adyacentes y controlar cómo los electrones de los átomos de
estroncio ultrafríos atraviesan barreras lentas y rápidas y crean las
dimensiones sintéticas.
Los átomos ultrafríos de Rydberg están a una
millonésima de grado por encima del cero absoluto. Mediante la manipulación
precisa y flexible del movimiento de los electrones, los investigadores
acoplaron niveles de Rydberg en forma de celosía, de manera que simulan
aspectos de materiales reales.
La técnica permite realizar sistemas que no se
pueden lograr en un espacio tridimensional real, y alumbra una nueva y poderosa
plataforma para la investigación cuántica: las dimensiones sintéticas.
Los átomos de Rydberg poseen muchos niveles de
energía cuántica espaciados regularmente, que pueden acoplarse mediante
microondas que permiten que el electrón altamente excitado se mueva de un nivel
a otro, de una dimensión a otra, mediante el uso de láseres.
La dinámica en esta "dimensión sintética"
es matemáticamente equivalente a una partícula que se mueve entre sitios de red
en un cristal real, destacan los investigadores.
Añaden que, en este proceso artificial, se puede
considerar cada nivel como una ubicación en el espacio, como una dimensión
sintética paralela a las dimensiones ordinarias. Los científicos lograron que
las partículas se movieran entre seis niveles o dimensiones sintéticas.
Los investigadores explican que, mediante diferentes
longitudes de onda de luz, se pueden acoplar niveles y hacer que las
dimensiones sintéticas parezcan partículas que simplemente se mueven entre
ubicaciones en el espacio.
Eso significa que se puede configurar la forma en
que se mueven esas partículas y capturar toda la física importante de un
sistema mucho más complicado, como el que forman las dimensiones sintéticas
surgidas de los átomos de Rydberg.
Pero los investigadores se proponen ir mucho más
lejos: quieren juntar varios átomos de Rydberg para crear partículas que
interactúen en estas dimensiones sintéticas, lo que les permitirá hacer física
que no se puede simular en una computadora clásica.
Este desarrollo tiene una particularidad nada
desdeñable: las ondas utilizadas para formar la “red” unidimensional de la que
surgen las dimensiones sintéticas son ondas milimétricas, es decir, ondas
radioeléctricas que abarcan frecuencias de 30 a 300 GHz. Tienen propiedades de
propagación, lo que significa que son ampliamente utilizables, por ejemplo, en
telecomunicaciones.
Además, este resultado puede potenciar el uso de los simuladores cuánticos, consistentes en un sistema cuántico controlable que se usa para simular o emular otros sistemas cuánticos. De esta forma, son capaces de resolver problemas complejos inaccesibles para los ordenadores clásicos, gracias a las exploraciones que permiten las dimensiones sintéticas.
Realizing
topological edge states with Rydberg-atom synthetic dimensions. S. K. Kanungo
et al. Nature Communications, Volume 13, Article number: 972 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-28550-y
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