Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han "congelado por flash" un cristal plano de 150 iones de berilio átomos cargados eléctricamente, abriendo nuevas posibilidades para simular el magnetismo a escala cuántica y detectar señales de misteriosa materia oscura.
Muchos investigadores han intentado durante décadas enfriar objetos vibrantes que son lo suficientemente grandes como para ser visibles a simple vista hasta el punto en que tienen el movimiento mínimo permitido por la mecánica cuántica, la teoría que gobierna el comportamiento de la materia a escala atómica.Cuanto más frío, mejor, porque hace que el dispositivo sea más sensible, más estable y menos distorsionado y, por lo tanto, más útil para aplicaciones prácticas. Hasta ahora, sin embargo, los investigadores solo han podido reducir algunos tipos de vibraciones.
En el experimento NIST, los campos magnéticos y eléctricos enfriaron y atraparon los iones de modo que formaron un disco de menos de 250 micrómetros millonésimas de metro de diámetro. El disco se considera un cristal porque los iones están dispuestos en una repetición regularpatrón.
Como se describe en Cartas de revisión física , los investigadores del NIST enfriaron el cristal en solo 200 microsegundos millonésimas de segundo para que cada ion tuviera aproximadamente un tercio de la energía transportada por un solo fonón, un paquete de energía motriz en el cristal. Esto está muy cerca dela cantidad de energía en el estado cuántico "fundamental" cuántico más bajo para las llamadas vibraciones del "parche" del cristal, que son similares a los movimientos hacia arriba y hacia abajo de un tambor.
Los investigadores enfriaron y desaceleraron las 150 vibraciones del parche, una para cada ion. El trabajo mostró que cientos de iones se pueden calmar colectivamente utilizando esta técnica, un avance significativo sobre la demostración previa de otro grupo que enfría una línea de 18 iones.
Para las vibraciones en las frecuencias enfriadas en esta demostración, un tercio de la energía transportada por un fonón corresponde a 50 microKelvin, o 50 millonésimas de grado por encima del cero absoluto menos 459.67 ° F o menos 273.15 ° C, líder del grupoDijo John Bollinger. Aunque no es una temperatura récord, este nivel está cerca del estado fundamental de la mecánica cuántica para todos los modos del parche, lo que significa que el movimiento térmico es pequeño para un sistema tan altamente confinado, señaló Bollinger.
Para lograr tanto enfriamiento, los investigadores apuntaron dos láseres con frecuencias y niveles de potencia específicos en el cristal. Los láseres acoplaron los niveles de energía de los iones de tal manera que inducen al cristal de iones a perder energía sin aumentar su movimiento.Para la mayoría de las partículas de luz láser dispersadas por el cristal, los iones pierden movimiento, enfriando el cristal.
El método no enfrió otros tipos de vibraciones, como el movimiento de lado a lado del cristal en forma de disco. Pero los movimientos del parche tienen los usos más prácticos. Solo las vibraciones del parche se usan en simulaciones cuánticas y sensores cuánticos.
Las vibraciones del parche más frías harán que el cristal de iones sea un simulador más realista del magnetismo cuántico, que puede ser difícil de calcular en las computadoras convencionales. El enfriamiento del estado subterráneo también debería permitir sistemas cuánticos enredados más complicados, haciendo posibles mejores mediciones para aplicaciones de detección cuántica.
"Una aplicación de detección cuántica que nos entusiasma investigar es la detección de campos eléctricos muy débiles", dijo Bollinger. "Con el enfriamiento del estado fundamental mejoramos nuestra capacidad de detectar campos eléctricos a un nivel que permite la búsqueda de ciertos tipos demateria oscura: axiones partículas subatómicas hipotéticas y fotones ocultos portadores de fuerza aún no vistos "
La investigación futura intentará enfriar cristales tridimensionales con un número mucho mayor de iones.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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