Allí estaban, en toda su extraña gloria cuántica: átomos de litio ultrafríos en la trampa óptica operada por el estudiante universitario de UC Santa Bárbara, Alec Cao, y sus colegas del grupo de física atómica de David Weld. Sostenidos por láseres en una formación de celosía regular y "impulsados "por pulsos de energía, estos átomos estaban haciendo cosas locas.
"Fue un poco extraño", dijo Weld. "Los átomos se bombearían en una dirección. A veces se bombearían en otra dirección. A veces se desgarrarían y crearían estructuras que parecían ADN".
Estos comportamientos nuevos e inesperados fueron el resultado de un experimento realizado por Cao, Weld y sus colegas para ampliar los límites de nuestro conocimiento del mundo cuántico. ¿Los resultados? Nuevas direcciones en el campo de la ingeniería cuántica dinámica y un camino tentador haciaun vínculo entre la física clásica y cuántica.
Su investigación se publica en la revista Investigación de revisión física .
"Suceden muchas cosas divertidas cuando se agita un sistema cuántico", dijo Weld, cuyo laboratorio crea "sólidos artificiales" retículas de baja dimensión de átomos ligeros y ultrafríos para simular el comportamiento de las partículas de la mecánica cuántica en mássólidos verdaderos densamente empaquetados cuando se someten a fuerzas impulsoras. Los experimentos recientes fueron los últimos en una línea de razonamiento que se remonta a 1929, cuando el físico y premio Nobel Felix Bloch predijo por primera vez que dentro de los límites de una estructura cuántica periódica, una partícula cuántica bajouna fuerza constante oscilará.
"En realidad, se mueven de un lado a otro, lo cual es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la materia", dijo Weld. Si bien estas oscilaciones de Bloch en el espacio de posición se predijeron hace casi un siglo, se observaron directamente solo hace relativamente poco tiempo; de hecho, Weldgroup fue el primero en verlos en 2018, con un método que hizo que estos chapoteos, a menudo rápidos e infinitesimales, fueran grandes y lentos, y fáciles de ver.
Hace una década, otros experimentos agregaron una dependencia del tiempo al sistema oscilante de Bloch al someterlo a una fuerza periódica adicional, y encontraron una actividad aún más intensa. Se descubrieron oscilaciones en la parte superior de las oscilaciones, súper oscilaciones de Bloch.
Para este estudio, los investigadores llevaron el sistema un paso más allá, modificando el espacio en el que interactúan estos átomos.
"En realidad, estamos cambiando la red", dijo Weld, mediante la variación de las intensidades del láser y las fuerzas magnéticas externas que no solo agregaron una dependencia del tiempo, sino que también curvaron la red, creando un campo de fuerza no homogéneo. Su método para crear grandes,Las oscilaciones lentas, agregó, "nos dieron la oportunidad de ver lo que sucede cuando se tiene un sistema oscilante Bloch en un entorno no homogéneo".
Aquí es cuando las cosas se pusieron raras. Los átomos se dispararon hacia adelante y hacia atrás, a veces separándose, otras veces creando patrones en respuesta a los pulsos de energía que empujan la red de varias maneras.
"Podríamos seguir su progreso con los números si trabajáramos duro en eso", dijo Weld. "Pero fue un poco difícil entender por qué hacen una cosa y no la otra".
Fue el conocimiento de Cao, el autor principal del artículo, lo que condujo a una forma de descifrar el extraño comportamiento.
"Cuando investigamos la dinámica de todos los tiempos a la vez, vimos un lío porque no había simetría subyacente, lo que dificultaba la interpretación de la física", dijo Cao, quien está comenzando su cuarto año en la Facultad de Estudios Creativos de UCSB.
Para dibujar la simetría, los investigadores simplificaron este comportamiento aparentemente caótico al eliminar una dimensión en este caso, el tiempo utilizando una técnica matemática desarrollada inicialmente para observar la dinámica no lineal clásica llamada sección de Poincaré.
"En nuestro experimento, un intervalo de tiempo se establece según la forma en que modificamos periódicamente la red en el tiempo", dijo Cao. "Cuando desechamos todos los tiempos 'intermedios' y observamos el comportamiento una vez cada período, la estructura yla belleza emergió en las formas de las trayectorias porque estábamos respetando adecuadamente la simetría del sistema físico ". Observar el sistema solo en períodos basados en este intervalo de tiempo produjo algo así como una representación en stop-motion de los movimientos complicados pero cíclicos de estos átomos.
"Lo que pensó Alec es que estos caminos, estas órbitas de Poincaré, nos dicen exactamente por qué en algunos regímenes de conducción los átomos se bombean, mientras que en otros regímenes de conducción los átomos se dispersan y rompen la función de onda", WeldUna dirección que los investigadores podrían tomar a partir de aquí, dijo, es utilizar este conocimiento para diseñar sistemas cuánticos para que tengan nuevos comportamientos a través de la conducción, con aplicaciones en campos florecientes como la computación cuántica topológica.
"Pero otra dirección que podemos tomar es analizar si podemos estudiar el surgimiento del caos cuántico a medida que comenzamos a hacer cosas como agregar interacciones a un sistema impulsado como este", dijo Weld.
No es poca cosa. Los físicos durante décadas han estado tratando de encontrar vínculos entre la física clásica y la cuántica, una matemática común que podría explicar conceptos en un campo que parecen no tener análogos en el otro, como el caos clásico, el lenguajepara lo cual no existe en mecánica cuántica.
"Probablemente haya oído hablar del efecto mariposa: una mariposa que agita sus alas en el Caribe puede causar un tifón en algún lugar del mundo", dijo Weld. "Esa es en realidad una característica de los sistemas caóticos clásicos, que tienen una dependencia sensibleen condiciones iniciales. Esa característica es en realidad muy difícil de reproducir en sistemas cuánticos; es desconcertante encontrar la misma explicación en sistemas cuánticos. Así que esto es quizás una pequeña parte de ese cuerpo de investigación ".
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