Adición de sonidos a simulaciones cuánticas

Específicamente, podría llevar al sonido a una configuración común de la ciencia cuántica conocida como red óptica, que utiliza una red entrecruzada de rayos láser para organizar los átomos de una manera ordenada, similar a un cristal. Esta herramienta se usa comúnmente para estudiar las características fundamentales de los sólidos y otras fases de la materia que tienen geometrías repetidas. Sin embargo, un defecto de estas celosías es que son silenciosas.

«Sin sonido o vibración, carecemos de un grado crucial de libertad que existe en los materiales reales», dijo Benjamin Lev, profesor asociado de física aplicada y física, quien puso su mirada en este problema cuando llegó por primera vez a Stanford en 2011 «. Es como hacer sopa y olvidarse de la sal; realmente le quita el sabor a la ‘sopa’ cuántica «.

Después de una década de ingeniería y evaluación comparativa, Lev y sus colaboradores en la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de St. Andrews han producido la primera red óptica de átomos que incorpora sonido. La investigación se publicó el 10 de noviembre en Nature. Al diseñar una cavidad muy precisa que contenía la red entre dos espejos altamente reflectantes, los investigadores hicieron posible que los átomos se ‘vieran’ a sí mismos repetidos miles de veces a través de partículas de luz, o fotones, rebotando de un lado a otro entre los espejos. Esta retroalimentación hace que los fotones se comporten como fonones, los componentes básicos del sonido.

«Si fuera posible poner su oído en la red óptica de los átomos, escucharía su vibración a aproximadamente 1 kHz», dijo Lev.

Un super sólido con sonido

Los experimentos anteriores de celosía óptica fueron hechos silenciosos porque carecían de la elasticidad especial de este nuevo sistema. Lev, el joven estudiante graduado Sarang Gopalakrishnan, ahora profesor asistente de física en Penn State y coautor del artículo, y Paul Goldbart (ahora rector de la Universidad de Stony Brook) han elaborado la teoría fundamental de este sistema. Pero fue necesaria la colaboración de Jonathan Keeling, un lector de la Universidad de St. Andrews y coautor del artículo, y años de trabajo para construir el dispositivo correspondiente.

Para crear esta configuración, los investigadores llenaron una cavidad de espejo vacía con gas cuántico ultrafrío de rubidio. En sí mismo, este es un superfluido, que es una fase de la materia en la que los átomos pueden fluir en remolinos sin resistencia. Cuando se expone a la luz, el superfluido de rubidio se reorganiza espontáneamente en un supersólido, una fase rara de la materia que muestra simultáneamente el orden visto en los cristales y la extraordinaria fluidez de los superfluidos.

Una vista de la cavidad dentro de una cámara de vacío, donde se ven los dos espejos ultrarreflectantes en la parte superior e inferior. (Crédito de la imagen: Lev Lab)

Lo que trajo el sonido a la cavidad fueron dos espejos cóncavos cuidadosamente espaciados que son tan reflectantes que hay una fracción del 1% de probabilidad de que un solo fotón pase a través de ellos. Esa reflectividad y geometría específica de la configuración (el radio de los espejos curvos es igual a la distancia entre ellos) hace que los fotones bombeados a la cavidad pasen por los átomos más de 10,000 veces. Al hacerlo, los fotones forman un vínculo estrecho especial con los átomos, lo que los obliga a organizarse como una red.

«La cavidad que usamos ofrece mucha más flexibilidad en términos de la forma de la luz que rebota de un lado a otro entre los espejos», dijo Lev. «Es como si, en lugar de simplemente poder hacer una sola ola en un abrevadero, ahora puedes chapotear para crear cualquier tipo de patrón de olas».

Esta cavidad especial permitió que la red de átomos superfluidos (el supersólido) se moviera para que, a diferencia de otras redes ópticas, se distorsionara libremente cuando se golpea, y esto crea ondas de sonido. Para iniciar este lanzamiento de fonones a través de la red flexible, los investigadores lo golpearon utilizando una herramienta llamada modulador de luz espacial, que les permite programar diferentes patrones en la luz que inyectan en la cavidad.

Los investigadores evaluaron cómo esto afectaba el contenido de la cavidad al capturar un holograma de la luz que se apagaba. El holograma registra tanto la amplitud como la fase de la onda de luz, lo que permite obtener imágenes de fonones. Además de mediar en una física interesante, la alta curvatura de los espejos dentro del dispositivo produce una imagen de alta resolución, como un microscopio, lo que ha llevado a los investigadores a llamar a su creación un «microscopio de gas cuántico activo».

El estudiante de posgrado y autor principal Yudan Guo, quien recibió una beca Q-FARM para apoyar este trabajo, lideró el esfuerzo para confirmar la presencia de fonones en el dispositivo, lo cual se hizo enviando diferentes patrones de luz, midiendo lo que salía y comparándolo a una curva de dispersión de Goldstone. Esta curva muestra cómo se espera que la energía, incluido el sonido, se mueva a través de los cristales; el hecho de que sus hallazgos coincidieran confirmó tanto la existencia de fonones como el estado de vibración supersólido.

Dos de un tipo

Hay muchas direcciones que Lev espera que su laboratorio, y posiblemente otros, tome esta invención, incluido el estudio de la física de superconductores exóticos y la creación de redes neuronales cuánticas, razón por la cual el equipo ya está trabajando en la creación de una segunda versión de su dispositivo.

«Abra un libro de texto canónico de física del estado sólido y verá que mucho tiene que ver con los fonones», dijo Lev. «Y, hasta ahora, no hemos podido estudiar nada basado en esto con simuladores cuánticos usando átomos y fotones porque no hemos podido emular esta forma básica de sonido».

Los estudiantes graduados de Stanford, Ronen Kroeze y Brendan Marsh, también son coautores de esta investigación. Lev también es miembro del Ginzton Lab y Stanford Bio-X. Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército, una beca de pregrado Q-FARM y la Fundación Nacional de Ciencias.

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