Dinámica cuántica de ondas de materia revelan exóticas colisiones entre múltiples cuerpos

Condensado BECCientíficos del MPQ-LMU demuestran por primera vez interacciones exóticas multipartículas entre átomos ultra-fríos en un cristal artificial de luz.

A temperaturas extremadamente bajas, los átomos pueden agregarse en lo que se conoce como condensados Bose-Einstein formando ondas de materia coherentes similares a una luz láser. Debido a las interacciones entre átomos, surge una dinámica cuántica fundamental que da lugar a colapsos y auges periódicos en el campo de las ondas de materia. Un grupo de científicos liderado por el Profesor Immanuel Bloch, Catedrático de Física Experimental en la Universidad Ludwig-Maximilians (LMU) en Munich y Director de la División del Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, ha tenido éxito al echar un vistazo “tras bastidores” de las interacciones atómicas que revelan la compleja estructura de estas dinámicas cuánticas. Generando miles de BECs en miniatura ordenados en una red óptica, los investigadores fueron capaces de observar un gran número de ciclos de colapso y auge a lo largo de grandes periodos de tiempo. Los resultados experimentales implican que los átomos no sólo interactúan en pares – sino que también realizan colisiones exóticas que implican a tres, cuatro, o más átomos a la vez (Nature, DOI:10.1038/nature09036). Por una parte, estos resultados tienen una importancia fundamental para comprender los sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Por otra, allanan el camino para la siguiente generación de nuevos estados exóticos de la materia, basándose en tales interacciones de múltiples cuerpos.

El experimento empieza enfriando una nube diluida de cientos de miles de átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto, aproximadamente -273 grados Celsius. A estas temperaturas, los átomos forman lo que se conoce como condensado Bose-Einstein (BEC), una fase cuántica en la cual todas las partículas ocupan el mismo estado cuántico. Ahora se superpone una rejilla óptica sobre el BEC: Este es un tipo de cristal artificial hecho de luz con áreas brillantes y oscuras periódicamente ordenadas, generadas por la superposición de ondas estacionarias de luz láser desde distintas direcciones. Esta rejilla puede verse como un ‘cartón de huevos’ en los que se distribuyen los átomos. Mientras que en un cartón de huevos real cada hueco está ocupado por un único huevo, o ninguno, el número de átomos que se sitúa en cada lugar de la rejilla está determinado por las leyes de la mecánica cuántica: Dependiendo de la altura de la rejilla (es decir, la intensidad de la luz láser) los huecos aislados de la red pueden ser ocupados por cero, uno dos, tres o más átomos a la vez.

El uso de estos “estados de superposición de número de átomos” es la clave para el novedoso principio de medida desarrollado por los investigadores. La dinámica del estado de número de átomos pueden compararse con la dinámica de un péndulo oscilante. De la misma forma que los péndulos de distintas longitudes están caracterizados por distintas frecuencias de oscilación, se aplica lo mismo a los estados de los distintos número de átomos. “No obstante, estas frecuencias se modifican mediante colisiones interatómicas. Si sólo hubiese interacciones entre pares de átomos, los péndulos que representan los estados de número de átomos individual oscilarían de forma síncrona y sus frecuencias de oscilación serían múltiplos exactos de la frecuencia del péndulo para dos átomos en interacción”, dice Sebastian Will, estudiante graduado del experimento.

Usando una compleja configuración experimental, los físicos fueron capaces de seguir la pista a la evolución de las distintas oscilaciones superpuestas a lo largo del tiempo. Periódicamente, los patrones de interferencia se hacen visibles y desaparecen, una y otra vez. A partir de su periodicidad e intensidad, los físicos encontraron pruebas inequívocas de que las frecuencias no son realmente múltiplos del caso de dos cuerpos. “Esto no pilló completamente por sorpresa. Nos dimos cuenta de que realmente tenía que haber un mecanismo subyacente más complejo en funcionamiento”, recuerda Sebastian Will. “Debido a las temperaturas ultrafrías, los átomos ocupan los estados cuánticos más bajos posible en cada lugar de la rejilla. No obstante, el principio de incertidumbre de Heisenberg les permite hacer – por así decirlo – una ruta virtual a través de los estados cuánticos de mayor energía durante su colisión. A nivel práctico, este mecanismo da lugar a colisiones exóticas que implican a tres, cuatro o más átomos a la vez”.

Los resultados de los que se informa en este trabajo proporcionan una mejor comprensión de las interacciones entre las partículas microscópicas. Esto puede ser no sólo de interés científico fundamental, sino también encontrar una aplicación directa en el contexto de las rejillas ópticas de átomos ultrafríos. Debido a la excepcional controlabilidad experimental, los átomos ultrafríos en las rejillas ópticas pueden formar un “simulador cuántico” para modelar sistemas de materia condensada. Tal simulador cuántico se espera que ayude a comprender la física que hay tras la superconductividad o el magnetismo cuántico. Además, cada lugar de la rejilla representa un laboratorio en miniatura para la generación de exóticos estados cuánticos, configuraciones experimentales que usan rejillas ópticas y pueden resultar ser las sondas más sensibles para observar las colisiones atómicas.


Publicación: Sebastian Will, Thorsten Best, Ulrich Schneider, Lucia Hackermüller, Dirk-Sören Lühmann, Immanuel Bloch
“Time-resolved observation of coherent multi-body interactions in quantum phase revivals“
Nature, DOI:10.1038/nature09036, 12 May, 2010

Autor: Sebastian Will/Olivia Meyer-Streng
Fecha Original:
12 de mayo de 2010
Enlace Original

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Comment (1)

  1. ESA MISMA REJILLA DE LUZ

    puede repetirse o copiarse por analogìa como una idea que explicarìa el funcionar de los àtomos que disponen aquellos sìmbolos que utilizamos al hablar o pensar… Cuando enfocamos la mente en un asunto, ellos corren a ocupar sus lugares como en la huevera. Debemos acostumbrarnos a considerar el lenguaje como el intercambio de partìculas microscòpicas (los signos) que al agruparse, como los àtomos, forman estructuras mayores.

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