Con sus esferas metálicas suspendidas que resuenan de un lado a otro, la cuna de Newton es más que un juguete de escritorio popular. Ha enseñado a una generación de estudiantes sobre la conservación del impulso y la energía. También es la inspiración para un experimento Benjamin Lev, profesor asociadode física y de física aplicada en la Universidad de Stanford, ha creado para estudiar sistemas cuánticos.
Lev y su grupo construyeron su propia versión cuántica de la cuna de Newton para responder preguntas sobre cómo el movimiento caótico de las partículas cuánticas eventualmente conduce al equilibrio térmico en un proceso llamado termalización. Contestar cómo ocurre esto en los sistemas cuánticos podría ayudar a desarrollar cuánticacomputadoras, sensores y dispositivos, que Lev caracteriza como una "revolución de ingeniería cuántica"
"Si queremos poder crear dispositivos que sean robustos y útiles, debemos entender cómo los sistemas cuánticos se comportan fuera de equilibrio, cuando son pateados, como la cuna de Newton, a un nivel tan fundamental como nosotrosentiendo eso para los sistemas clásicos ", dijo Lev.
Con la cuna, los investigadores observaron por primera vez cómo, después de inducir pequeñas cantidades de movimiento caótico, un sistema cuántico alcanza el equilibrio térmico. Publicaron sus hallazgos el 2 de mayo Revisión física X .
Los resultados de estos experimentos, que no se ajustaban a las predicciones anteriores, han llevado a una teoría de cómo funciona este proceso en los sistemas cuánticos.
Extremadamente frío, fuertemente magnético
El turbulento remolino de leche que se agrega al café es un ejemplo familiar de caos en el mundo no cuántico. Con el tiempo, la mezcla de café se vuelve homogénea y, por lo tanto, alcanza el equilibrio. Lo que el laboratorio Lev quería saber es cómo estola evolución ocurre en los sistemas cuánticos después de que inducen solo un toque de caos. A través de experimentos con su cuna, los investigadores fueron los primeros en observar este proceso tal como sucedió.
La cuna de Newton cuántica del laboratorio Lev es diferente de todo lo que has visto en el cubículo de tu compañero de trabajo. Los investigadores hacen brillar rayos láser a través de una cámara hermética para enfriar un gas de átomos hasta casi el cero absoluto, uno de los más fríos conocidosgases en el universo, y luego cargan esos átomos en una serie de tubos láser que actúan como la estructura de la cuna de Newton. Cada una de las 700 cunas paralelas contiene alrededor de 50 átomos en una fila. Luego, otro láser patea los átomos,comenzando el movimiento de la cuna.
A diferencia de una cuna de Newton cuántica anterior desarrollada por David Weiss en Penn State, donde los átomos débilmente magnéticos tomaron el lugar de las esferas metálicas de la cuna, la cuna del laboratorio Lev incluye átomos fuertemente magnéticos.
Este trabajo se basa en el logro anterior del laboratorio de hacer el primer gas cuántico del elemento altamente magnético disprosio, ligado con el terbio como el más magnético de todos los elementos. El presidente Obama le otorgó a Lev un Premio Presidencial de Carrera Temprana para Científicos e Ingenieros por estohito en 2011. Los investigadores cargaron átomos de disprosio en la cámara hermética.
Los investigadores pueden ajustar cómo estos átomos afectan a sus vecinos. Pueden hacer que la cuna actúe como si los átomos no fueran magnéticos para que produjera el movimiento periódico típico de la cuna de Newton. O pueden producir un movimiento caótico al aumentar el magnetismo- Como una cuna de Newton con imanes atados a las esferas.
Hasta ahora, los físicos no han tenido una teoría de cómo surge la termalización en sistemas cuánticos sutilmente caóticos. La investigación previa con simulaciones computacionales ha dado lugar a conclusiones variables. Ahora, a través de sus experimentos, los investigadores mostraron directamente que la oscilación de las cunas alcanzó el equilibrioen una secuencia de dos pasos exponenciales, que fue un resultado inesperado.
También confirmaron sus resultados experimentales en una extensa simulación por computadora. Basado en estos experimentos y simulaciones, el grupo desarrolló una teoría que explica sus hallazgos.
"Significa que podemos tener una teoría muy general y simple sobre cuán complicado se termalizan los sistemas cuánticos como este", dijo Lev. "Eso es hermoso porque te permite traducir eso a otros sistemas".
átomo por átomo
Los investigadores ya han planeado varios experimentos para la cuna de Newton cuántica magnética y anticipan muchas más oportunidades para aprovechar este trabajo a medida que evoluciona la revolución cuántica.
"Las tecnologías láser muy sofisticadas pueden manipular los sistemas átomo por átomo", dijo Yijun Tang, un estudiante de doctorado recientemente graduado en el laboratorio de Lev y autor principal del artículo. "Entonces, tal vez lo que podamos hacer vaya más allá de las preguntas fundamentales de la ciencia".Quizás, en algún momento, podamos convertir estas tecnologías en algo más práctico también "
En los experimentos por venir, los investigadores pueden agregar desorden a los tubos de la cuna, en forma de luz láser moteada, para ver si pueden crear una especie de vidrio cuántico que evada la termalización. Todos los experimentos que contribuyeron a este trabajo se realizaroncon una versión de isótopos de disprosio, llamados bosones, por lo que el grupo también planea repetir su trabajo con la versión alternativa, fermiones. No están seguros de si el cambio a fermiones hará una diferencia en la termalización, dijo Lev, y darían la bienvenida.otra sorpresa
Los coautores adicionales de Stanford son Wil Kao, Kuan-Yu Li y Sangwon Seo. Krishnanand Mallayya y Marcos Rigol de Penn State y Sarang Gopalakrishnan de la City University of New York también son coautores. Lev es miembro de la facultad en elFacultad de Humanidades y Ciencias de Stanford.
Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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