MADRID, 8 Ago. (EUROPA PRESS) -
Investigadores de JILA, operado conjuntamente por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado en Boulder, en Estados Unidos, han utilizado por primera vez un reloj atómico como un simulador cuántico, imitando el comportamiento de un sistema cuántico diferente, más complejo. Así, los relojes atómicos se unen a una lista cada vez mayor de sistemas físicos que pueden utilizarse para el modelado y tal vez eventualmente explicar el comportamiento mecánico cuántico de materiales exóticos como superconductores de alta temperatura, que conducen la electricidad sin resistencia.
Todos menos los sistemas cuánticos más pequeños y triviales son demasiado complicados para simular en los ordenadores clásicos, de ahí el interés en los simuladores cuánticos. Compartiendo algunas de las características de los ordenadores cuánticos experimentales, dispositivos de "propósito especial", se diseñaron para dar una idea de los difíciles problemas específicos, como publica la revista 'Science'.
El experimento se realizó con un reloj atómico hecho de alrededor de 2000 átomos de estroncio neutros atrapados en la intersección de haces de láser. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que, bajo ciertas condiciones, los átomos interactúan en el reloj como los átomos en los materiales magnéticos.
"Fue totalmente inesperado --dice Jun Ye, de JILA/NIST--. No estábamos buscando esto en absoluto, estábamos ingenuamente tratando de entender las interacciones entre partículas, como parte de nuestro esfuerzo para mejorar aún más el reloj. Nos quedamos agradablemente sorprendidos de encontrar que ahora podemos utilizar un reloj como un poderoso aparato cuántico para estudiar interacciones de espín magnético".
Los átomos de estroncio del reloj se disponen como una pila de cien tortitas, cada uno conteniendo aproximadamente 20 átomos. Normalmente, los átomos reaccionan de forma individual a los pulsos de láser rojo, cambiando entre dos niveles de energía. Sin embargo, los investigadores descubrieron que los átomos también pueden interactuar uno con el otro, primero en pares y, finalmente, todos juntos. Hasta ahora los científicos estaban tratando de eliminar estas interacciones, que son indeseables en los relojes atómicos, pero pueden convertirse en una característica de gran alcance para un simulador cuántico.
Los átomos de estroncio tienen dos niveles de energía usados ??para los propósitos del reloj, cada uno con una configuración particular de electrones. En la simulación de JILA, todos los átomos comienzan al mismo nivel de energía con la misma configuración electrónica, también llamado un estado de espín-abajo.
Un pulso rápido de un láser rojo muy estable coloca todos los átomos en una "superposición" de los espines que apuntan hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo. La posibilidad de superposición es una de las características más notables del mundo cuántico. Cuando el láser se apaga, los átomos comienzan a interactuar. Un segundo más tarde, otro pulso del mismo láser golpea los átomos para prepararlos para la medición colectiva de espín y luego a diferentes medidas de láser y, en función de cualquier fluorescencia detectada, los estados de espín finales de todos los átomos.
En el mundo de la física clásica, tales medidas tendrían resultados definitivos, sin "ruido" o incertidumbre. Sin embargo, en el mundo cuántico una medición de espín, por lo general, tiene una cantidad aleatoria de ruido. En el experimento de JILA, las correlaciones aparecen en el tiempo entre los patrones de ruido de algunos de los espines de los átomos. Ye dice que estas correlaciones sugieren que los átomos se enredan, otra característica cuántica inusual que une las propiedades de las partículas separadas. Sin embargo, los investigadores de JILA aún no han realizado la prueba definitiva.
La teórica de JILA Ana Maria Rey ayudó a explicar lo observado por el equipo de Ye. Para un pequeño número de partículas, sobre 30 átomos, Rey calcula que las interacciones del átomo del reloj obedecen a fórmulas matemáticas similares a las que describen el comportamiento de los electrones en los materiales magnéticos. Pero si se incluyen más átomos, los cálculos clásicos no se mantienen al día con los resultados experimentales. En el futuro, el equipo de JILA espera realizar simulaciones más complejas sin dejar de desarrollar una teoría que explique los hallazgos.
