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Ciencia & Tec

Físicos aprovechan electrones para hacer «dimensiones sintéticas»


Los átomos ultrafríos de Rydberg están a una millonésima de grado por encima del cero absoluto.

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Físicos de la Universidad de Rice han controlado los electrones en los átomos gigantes de Rydberg con tanta precisión que pueden crear «dimensiones sintéticas», herramientas para simulaciones cuánticas.

Han desarrollado una técnica para manipular los estados de Rydberg de átomos de estroncio ultrafríos mediante la aplicación de campos eléctricos de microondas resonantes para acoplar muchos estados. Un estado de Rydberg ocurre cuando un electrón en el 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.

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 de la Iniciativa Cuántica de Rice acoplaron niveles de Rydberg en forma de celosía de manera que simulan aspectos de materiales reales. Las técnicas también podrían ayudar a realizar sistemas que no se pueden lograr en un espacio tridimensional real, creando una nueva y poderosa plataforma para la investigación cuántica.

Los físicos de Rice Tom Killian, Barry Dunning y Kaden Hazzard, todos miembros de la iniciativa, detallaron la investigación junto con el autor principal y estudiante graduado Soumya Kanungo en un artículo publicado en Nature Communications. El estudio se basó en trabajos previos sobre los átomos de Rydberg que Killian y Dunning exploraron por primera vez en 2018.

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. La dinámica en esta «dimensión sintética» es matemáticamente equivalente a una partícula que se mueve entre sitios de red en un cristal real.

«En un experimento de física típico de la escuela secundaria, uno puede ver las líneas de emisión de luz de los átomos que corresponden a las transiciones de un nivel de energía a otro», dijo en un comunicado Hazzard, profesor asociado de física y astronomía que estableció la base teórica para el estudio en documentos anteriores. «Uno puede ver esto incluso con un espectrómetro muy primitivo: ¡un prisma!

«Lo que es nuevo aquí es que pensamos en cada nivel como una ubicación en el espacio», dijo. «Al enviar diferentes longitudes de onda de luz, podemos acoplar niveles. Podemos hacer que los niveles parezcan partículas que simplemente se mueven entre ubicaciones en el espacio.

«Eso es difícil de hacer con la luz, o la radiación electromagnética de longitud de onda nanométrica, pero estamos trabajando con longitudes de onda milimétricas, lo que hace que sea técnicamente mucho más fácil generar acoplamientos», dijo Hazzard.

«Podemos configurar las interacciones, la forma en que las partículas se mueven y capturar toda la física importante de un sistema mucho más complicado», dijo Killian, profesor de física y astronomía de Rice y decano de la Escuela de Ciencias Naturales de Wiess.

«Lo realmente emocionante será cuando juntemos varios átomos de Rydberg para crear partículas que interactúen en este espacio sintético», dijo. «Con esto, podremos hacer física que no podemos simular en una computadora clásica porque se complica muy rápidamente».

Los investigadores demostraron sus técnicas al realizar una red 1D conocida como sistema Su-Schrieffer-Heeger. Para hacerlo, usaron láseres para enfriar los átomos de estroncio y aplicaron microondas alternando acoplamientos débiles y fuertes para crear el paisaje sintético adecuado. Se utilizó un segundo conjunto de láseres para excitar átomos a la variedad de estados de Rydberg elevados acoplados.

El experimento reveló cómo las partículas se mueven a través de la red 1D o, en algunos casos, se congelan en los bordes a pesar de que tienen suficiente energía para moverse, dijo Killian. Esto se relaciona con las propiedades del material que se pueden describir en términos de topología.

«Es mucho más fácil tener control sobre las amplitudes de acoplamiento cuando se usan ondas milimétricas para acoplar estados atómicos de Rydberg», dijo Kanungo. «Cuando logramos esa red 1D, con todos los acoplamientos en su lugar, podemos tratar de ver qué dinámica resultaría de excitar un electrón de Rydberg en ese espacio sintético».

«Usar un simulador cuántico es como usar un túnel de viento para aislar los efectos pequeños pero importantes que le interesan entre la aerodinámica más complicada de un automóvil o un avión», dijo Killian. «Esto se vuelve importante cuando el sistema se rige por la mecánica cuántica, donde tan pronto como obtienes más de un par de partículas y unos pocos grados de libertad, se vuelve complicado describir lo que está pasando.

«Los simuladores cuánticos son una de las frutas al alcance de la mano que la gente piensa que serán herramientas tempranas y útiles para salir de las inversiones en la ciencia de la información cuántica», dijo, y señaló que este experimento combinó técnicas que ahora son bastante estándar en los laboratorios que estudian la energía atómica. física.

«Todas las tecnologías están bien establecidas», dijo. «Incluso se podría concebir que esto se convierta casi en un experimento de caja negra que la gente podría usar, porque las piezas individuales son muy sólidas».

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