Las interacciones atómicas en los sólidos y líquidos cotidianos son tan complejas que algunas de las propiedades de estos materiales continúan eludiendo la comprensión de los físicos. Resolver los problemas matemáticamente está más allá de las capacidades de las computadoras modernas, por lo que los científicos de la Universidad de Princeton han recurrido a una rama inusual degeometría en su lugar.
Los investigadores dirigidos por Andrew Houck, profesor de ingeniería eléctrica, han construido una matriz electrónica en un microchip que simula interacciones de partículas en un plano hiperbólico, una superficie geométrica en la que el espacio se curva lejos de sí mismo en cada punto. Un plano hiperbólico es difícilimaginar: el artista MC Escher usó geometría hiperbólica en muchas de sus alucinantes piezas, pero es perfecto para responder preguntas sobre interacciones de partículas y otras preguntas matemáticas desafiantes.
El equipo de investigación utilizó circuitos superconductores para crear una red que funciona como un espacio hiperbólico. Cuando los investigadores introducen fotones en la red, pueden responder una amplia gama de preguntas difíciles al observar las interacciones de los fotones en el espacio hiperbólico simulado.
"Puedes tirar partículas juntas, activar una cantidad muy controlada de interacción entre ellas y ver emerger la complejidad", dijo Houck, quien fue el autor principal del artículo publicado el 4 de julio en la revista Naturaleza .
Alicia Kollár, investigadora postdoctoral asociada en el Centro Princeton de Materiales Complejos y autora principal del estudio, dijo que el objetivo es permitir a los investigadores abordar preguntas complejas sobre las interacciones cuánticas, que rigen el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas.
"El problema es que si quieres estudiar un material mecánico cuántico muy complicado, entonces el modelado por computadora es muy difícil. Estamos tratando de implementar un modelo a nivel de hardware para que la naturaleza haga la parte difícil del cálculo parausted ", dijo Kollár.
El chip del tamaño de un centímetro está grabado con un circuito de resonadores superconductores que proporcionan caminos para que los fotones de microondas se muevan e interactúen. Los resonadores en el chip están dispuestos en un patrón reticular de heptagones, o polígonos de siete lados. La estructura existe enun plano plano, pero simula la geometría inusual de un plano hiperbólico.
"En el espacio tridimensional normal, no existe una superficie hiperbólica", dijo Houck. "Este material nos permite comenzar a pensar en mezclar la mecánica cuántica y el espacio curvo en un entorno de laboratorio".
Intentar forzar una esfera tridimensional en un plano bidimensional revela que el espacio en un plano esférico es más pequeño que en un plano plano. Es por eso que las formas de los países aparecen estiradas cuando se dibujan en un mapa plano de la esferaTierra. En contraste, un plano hiperbólico necesitaría ser comprimido para que quepa en un plano.
"Es un espacio que puedes escribir matemáticamente, pero es muy difícil de visualizar porque es demasiado grande para caber en nuestro espacio", explicó Kollár.
Para simular el efecto de comprimir el espacio hiperbólico en una superficie plana, los investigadores utilizaron un tipo especial de resonador llamado resonador de guía de onda coplanar. Cuando los fotones de microondas pasan a través de este resonador, se comportan de la misma manera si su trayectoria es recta o serpenteanteLa estructura serpenteante de los resonadores ofrece flexibilidad para "aplastar y apretar" los lados de los heptagones para crear un patrón de mosaico plano, dijo Kollár.
Mirar el heptágono central del chip es similar a mirar a través de una lente de cámara de ojo de pez, en la que los objetos en el borde del campo de visión parecen más pequeños que en el centro; los heptagones se ven más pequeños cuanto más lejos están del centro.la disposición permite que los fotones de microondas que se mueven a través del circuito resonador se comporten como partículas en un espacio hiperbólico.
La capacidad del chip para simular el espacio curvo podría permitir nuevas investigaciones en mecánica cuántica, incluidas las propiedades de la energía y la materia en el espacio-tiempo deformado alrededor de los agujeros negros. El material también podría ser útil para comprender redes complejas de relaciones en la teoría de gráficos matemáticos yredes de comunicación. Kollár señaló que esta investigación podría eventualmente ayudar al diseño de nuevos materiales.
Pero primero, Kollár y sus colegas necesitarán desarrollar aún más el material fotónico, tanto al continuar examinando su base matemática como al introducir elementos que permitan que los fotones en el circuito interactúen.
"Por sí solos, los fotones de microondas no interactúan entre sí, pasan directamente", dijo Kollár. La mayoría de las aplicaciones del material requerirían "hacer algo para lograr que puedan ver que hay otro fotón allí".
Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation, incluida la División de Investigación de Materiales y el programa de Iniciativas de Investigación Universitarias Multidisciplinarias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :