Científicos logran crear dimensiones sintéticas

Científicos norteamericanos han conseguido crear dimensiones sintéticas excitando con láser unos átomos gigantes que representan un nuevo estado de la materia.

Investigadores de la Universidad de Rice en Texas han creado lo que llaman “dimensiones sintéticas” en las que pueden observar las reacciones de los electrones fluctuando más allá de las dimensiones físicas clásicas.

Esta investigación podría ser útil para comprender mejor los mecanismos cuánticos que funcionan en experimentos o sistemas más grandes, destacan los científicos.

Los científicos están explorando sistemas que pueden alcanzar “dimensiones sintéticas” adicionales para explorar el mundo más allá de las conocidas tres dimensiones.

La dinámica en esta “dimensión sintética” es matemáticamente equivalente a una partícula que se mueve entre sitios de red en un cristal real.

Imitan las interacciones cuánticas que se producen cuando los electrones fluctúan más allá de las dimensiones clásicas.

“En un experimento de física típico de la escuela secundaria, uno puede ver líneas de emisión de luz de los átomos que corresponden a transiciones de un nivel de energía a otro“, dijo Hazzard, profesor asociado de física y astronomía que estableció la base teórica para el estudio en años anteriores.

“Uno puede ver esto incluso con un espectrómetro muy primitivo: ¡un prisma!”

Mientras nuestra vida cotidiana discurre en tres aburridas dimensiones (ancho, profundidad y altura), los científicos están explorando sistemas que pueden alcanzar “dimensiones sintéticas” adicionales para explorar el mundo más allá de las dimensiones clásicas.

Para conseguirlo, han aprendido a controlar los electrones en los átomos gigantes de Rydberg con tanta precisión que pueden crear “dimensiones sintéticas” capaces de sustituir las dimensiones espaciales adicionales y potenciar la investigación cuántica.

“Lo que es nuevo aquí es que pensamos en cada nivel como una ubicación en el espacio”, dijo.

“Al enviar diferentes longitudes de onda de luz, podemos acoplar niveles.

Podemos hacer que los niveles parezcan partículas que simplemente se mueven entre ubicaciones en el espacio.

Un estado de Rydberg ocurre cuando un electrón en el interior de un átomo se eleva energéticamente a un estado altamente excitado, aumentando su órbita para hacer que el átomo sea miles de veces más grande de lo normal.

Se crea así un “átomo gigante”, lleno de átomos ordinarios.

Los átomos de Rydberg representan un nuevo estado de la materia que fue comprobado en 2018 por científicos de la Universidad Técnica (TU) de Viena, de la Universidad de Harvard y de la Universidad de Rice.

En la nueva investigación, desarrollo de esta anterior, el equipo de Rice aplicó una técnica para crear los estados de Rydberg de átomos de estroncio ultrafríos mediante la aplicación de campos eléctricos de microondas resonantes, que les permiten acoplar muchos estados o dimensiones de esos átomos.

“Eso es difícil de hacer con la luz, o la radiación electromagnética de longitud de onda nanométrica, pero estamos trabajando con longitudes de onda milimétricas, lo que hace que sea técnicamente mucho más fácil generar acoplamientos“, dijo Hazzard.

“Podemos configurar las interacciones, la forma en que se mueven las partículas y capturar toda la física importante de un sistema mucho más complicado”, continuó Killian, profesor de física y astronomía de Rice.

Los investigadores aplicaron microondas para acoplar niveles de energía adyacentes y controlar cómo los electrones de los átomos de estroncio ultrafríos atraviesan barreras lentas y rápidas y crean las dimensiones sintéticas.

“Lo realmente emocionante será cuando juntemos varios átomos de Rydberg para crear partículas que interactúen en este espacio sintético”, dijo.

“Con esto, podremos hacer física que no podemos simular en una computadora clásica porque se complica muy rápido”.

Los átomos ultrafríos de Rydberg están a una millonésima de grado por encima del cero absoluto.

Mediante la manipulación precisa y flexible del movimiento de los electrones, los investigadores acoplaron niveles de Rydberg en forma de celosía, de manera que simulan aspectos de materiales reales.

La técnica permite realizar sistemas que no se pueden lograr en un espacio tridimensional real, y alumbra una nueva y poderosa plataforma para la investigación cuántica: las dimensiones sintéticas.

Los átomos de Rydberg poseen muchos niveles de energía cuántica espaciados regularmente, que pueden acoplarse mediante microondas que permiten que el electrón altamente excitado se mueva de un nivel a otro, de una dimensión a otra, mediante el uso de láseres.

La dinámica en esta “dimensión sintética” es matemáticamente equivalente a una partícula que se mueve entre sitios de red en un cristal real, destacan los investigadores.

“Los simuladores cuánticos son una de las frutas al alcance de la mano que la gente piensa que serán herramientas útiles y tempranas para salir de las inversiones en la ciencia de la información cuántica”, dijo, y señaló que este experimento combinó técnicas que ahora son bastante estándar en los laboratorios que estudian la física de la energía atómica.

“Todas las tecnologías están bien establecidas”, dijo.

“Incluso se podría concebir que esto se convierta casi en un experimento de caja negra que la gente podría usar, porque las piezas individuales son muy sólidas“.

Los autores de esta investigación esperan que el fenómeno sirva como una herramienta importante en las simulaciones cuánticas.

Fuente: Nature