Átomos ultrafríos “vestidos con luz” para simular teoría física

Investigadores del instituto ICFO y la Universidad Autónoma de Barcelona, han logrado demostrar interacciones quirales (no superponibles con su imagen especular), entre átomos enfriados a las temperaturas más bajas del universo. Tras aplicar luz láser, el resultado es un sistema cuántico que se comporta de forma distinta a su imagen en el espejo y se describe con una teoría de gauge, uno de los pilares de la física moderna.

En la física actual, nuestra comprensión del mundo se basa en las teorías de gauge: modelos matemáticos de la física teórica que describen las interacciones entre las partículas elementales (como los electrones o los quarks) y explican de forma cuántica, tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnética, débil y fuerte. La cuarta, la gravedad, se describe con la teoría de la relatividad general de Einstein, que es una teoría de gauge clásica, ya que aún no disponemos de otra que unifique la mecánica cuántica con la gravedad.

Las teorías gauge pueden utilizarse asimismo para explicar el comportamiento exótico de los electrones en ciertos materiales cuánticos, o los códigos de corrección de errores que necesitarán los futuros ordenadores cuánticos para funcionar de forma fiable. Por ello, estas teorías son esenciales para entender la física moderna.

Para comprenderlas mejor, una posibilidad es emplear sistemas cuánticos. Esta estrategia recibe el nombre de simulación cuántica y constituye un tipo especial de computación cuántica. Fue propuesta por primera vez por el físico estadounidense Richard Feynman en los años 80, más de quince años después de recibir el Premio Nobel de Física, por su trabajo teórico sobre las teorías de gauge.

La simulación cuántica puede entenderse como un juego de LEGO cuántico, en el que los físicos experimentales dan realidad a modelos teóricos abstractos. Los construyen en el laboratorio, «pieza cuántica a pieza cuántica», usando para ello sistemas cuánticos muy bien controlados, como átomos o iones ultrafríos.

Tras montar un prototipo de este “juego” cuántico para un modelo concreto, los investigadores pueden medir con gran precisión sus propiedades en el laboratorio y utilizar sus resultados para comprender mejor la teoría que imita. Durante la última década, este tipo de simulación se ha explotado intensamente para investigar materiales cuánticos.

Sin embargo, “jugar” al LEGO cuántico con las teorías gauge es fundamentalmente más difícil y hasta ahora solo se había logrado investigar de ese modo la fuerza electromagnética.

Un hito publicado en Nature

Pero ahora, los investigadores experimentales del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri y César Cabrera, dirigidos por la profesora ICREA, Leticia Tarruell del mismo centro, en colaboración con el físico teórico, Alessio Celi, del programa Talent de la Universidad Autónoma de Barcelona, han podido simular por primera vez una teoría gauge distinta del electromagnetismo, empleando para ello átomos ultrafríos.

Este hito, publicado en la revista Nature, se podría aplicar a la computación cuántica de materiales.

El equipo se propuso realizar en el laboratorio una teoría gauge, que se enmarca dentro de la clase de teorías de gauge topológicas, diferente de la clase de teorías gauge dinámicas a las que pertenece el electromagnetismo.

VTV/CC/JMP

Fuente: SINC

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Átomos ultrafríos “vestidos con luz” para simular teoría física