La interacción entre los campos y la materia es un tema recurrente en toda la física. Los casos clásicos como las trayectorias de un cuerpo celeste que se mueve en el campo gravitacional de otros o el movimiento de un electrón en un campo magnético se entienden extremadamente bien, y las predicciones puedenSin embargo, cuando el carácter cuántico de las partículas y los campos involucrados debe tenerse en cuenta explícitamente, la situación rápidamente se vuelve bastante compleja y, además, el campo depende del estado de las partículas que evolucionan enentonces, los cálculos pueden estar fuera del alcance incluso para las computadoras más potentes de la actualidad.
Las limitaciones en la exploración de regímenes de interacción dinámica entre campos y materia dificultan el progreso en áreas que van desde la materia condensada hasta la física de alta energía. Pero hay un enfoque alternativo: en lugar de calcular la dinámica, simule. Famosamente, para sistemas planetariosLos modelos mecánicos conocidos como orreries se construyeron mucho antes de que se desarrollaran las computadoras digitales. En el ámbito cuántico, en los últimos años se han desarrollado los llamados 'simuladores cuánticos', donde la dinámica desconocida de un sistema cuántico se emula utilizando otro sistema más controlable.Como informan hoy en el diario Física de la naturaleza Frederik Görg y sus colegas en el grupo de Tilman Esslinger en el Departamento de Física de ETH Zurich ahora han hecho un progreso sustancial hacia los simuladores cuánticos que podrían emplearse para abordar clases generales de problemas donde la dinámica de la materia y los campos están acoplados.
Resultados difíciles de medir
Görg et al . No miró directamente a los campos gravitacionales o electromagnéticos, sino a los llamados campos de calibre. Estos son campos auxiliares que generalmente no son directamente observables en los experimentos, pero son más poderosos como un marco consistente para el tratamiento matemático de las interacciones entrepartículas y campos. Como concepto central en física, los campos de medidores ofrecen una ruta única para comprender las fuerzas: la fuerza electromagnética y las que mantienen juntas las partículas subatómicas. En consecuencia, existe un interés sustancial en las simulaciones cuánticas de campos de medidores, con la esperanzaque proporcionan una nueva visión de las situaciones que actualmente no se pueden explorar en cálculos o simulaciones por computadora.
Una de las plataformas líderes en la actualidad para simular sistemas cuánticos complejos se basa en átomos que se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto y quedan atrapados en estructuras reticulares creadas por luz láser. Un avance importante en los últimos años ha sido la constatación de que los átomos puedense puede utilizar para imitar el comportamiento de los electrones en un campo magnético, incluso si los átomos no tienen carga eléctrica. La clave para lograr esto es el uso de parámetros de control externo para dirigir el proceso de túnel cuántico por el cual los átomos se mueven entre sitios adyacentes deLa red óptica. A través de la adaptación adecuada de la fase compleja que las partículas cuánticas captan en un evento de túnel, conocido como la 'fase de Peierls', se puede hacer que los átomos neutros se comporten con precisión como partículas cargadas que se mueven en un campo magnético.La dinámica de ingeniería en estos campos de calibre sintético se puede comparar con la de las orquestas clásicas, donde los planetas modelo se mueven como si estuvieran sujetos a una p gravitacional sustancialull de un cuerpo central, emulando el comportamiento de los planetas reales.
Sacudiendo el campo
El grupo Esslinger, y otros, han usado la plataforma de átomos ultrafríos antes para crear campos de calibre artificiales resultantes de fases complejas de tunelización. Pero hasta ahora, estos campos de ingeniería eran intrínsecamente clásicos y no incluían la reacción de los átomos al medidorDe ahí la emoción, ya que Görg y sus compañeros de trabajo ahora presentan una forma flexible de lograr el acoplamiento entre átomos y campos de medición. Proponen, e implementan, un procedimiento para hacer que la fase de Peierls dependa de cómo se distribuyen los átomos en el campo.celosía. Cuando la distribución cambia como consecuencia de la interacción con el campo de medición, el campo de medición en sí se altera. Esto es como si el planetario se acelerara o desacelerara dependiendo de la constelación planetaria que no es necesaria para modelar celestes simples.mecánica, ya que se descuida la interacción entre planetas .En el caso de un simulador cuántico para campos de medidores cuánticos, sin embargo, la interacción entre las partículas es esencial enGredient.
En los experimentos ahora informados, los físicos de ETH crearon una red óptica que consiste en 'dímeros', cada uno hecho de dos sitios vecinos en los que los átomos fermiónicos pueden residir individualmente o en pares ver la figura.del dímero se controla agitando la red en dos frecuencias diferentes con un actuador piezoeléctrico. Las frecuencias y fases de la modulación se eligen de modo que la fase de Peierls entre sitios dependa de si un átomo comparte su sitio de dímero con otro átomo del espín opuestoo no ver la animación.
La generalidad importa
El paso para diseñar campos de indicadores que están acoplados a materia ultrafría es importante. Los átomos ultrafríos en redes ópticas ya están establecidos como una plataforma versátil para simulaciones cuánticas, incluida la emulación de fenómenos electrónicos complejos que ocurren en materiales de estado sólido. El trabajo actualde Görg et al ., Junto con los avances recientes relacionados de otros grupos, promete que en un futuro no muy lejano también se pueden abordar campos de medidores cuánticos más complejos, en particular los que aparecen en la física de alta energía y desafían los enfoques actuales de simulación clásica.
Una fuerza distintiva del enfoque de Görg et al . Es que se puede usar para diseñar una variedad de diferentes campos de indicadores cuantificados, más allá del escenario específico que exploraron experimentalmente en el artículo recién publicado, como se muestra en base a consideraciones teóricas. Y como el trabajo también demuestra un control experimental exquisitosobre un sistema atómico de muchos cuerpos altamente sintonizable, ahora existe la perspectiva clara e intrigante de un planeamiento moderno que proporciona una visión no de los movimientos en el cielo, sino en las profundidades del mundo cuántico.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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