Físicos organizan átomos con una distancia récord entre ellos: ¡50 nanometros!
La técnica abre nuevas posibilidades para explorar estados exóticos de la materia y construir nuevos materiales cuánticos.
Por Jennifer Chu / MIT News
Físicos del MIT desarrollaron una técnica para organizar los átomos —representados como esferas con flechas— mucho más cerca de lo que antes era posible, hasta 50 nanómetros. El grupo planea utilizar el método para manipular átomos en configuraciones que podrían generar la primera puerta cuántica puramente magnética, un componente clave para un nuevo tipo de computadora cuántica. En esta imagen, la interacción magnética está representada por líneas de colores. Cortesía: MIT
La proximidad es clave para muchos fenómenos cuánticos, ya que las interacciones entre átomos son más fuertes cuando las partículas están cerca. En muchos simuladores cuánticos, los científicos disponen los átomos lo más juntos posible para explorar estados exóticos de la materia y construir nuevos materiales cuánticos.
Normalmente hacen esto enfriando los átomos hasta inmovilizarlos, luego utilizan luz láser para posicionar las partículas a una distancia tan cercana como 500 nanómetros, un límite establecido por la longitud de onda de la luz. Ahora, físicos del MIT han desarrollado una técnica que les permite disponer átomos a una distancia mucho más cercana, hasta solo 50 nanómetros. Para contextualizar, un glóbulo rojo tiene aproximadamente mil nanómetros de ancho.
Los físicos demostraron el nuevo enfoque en experimentos con disprosio (Dy), que es el átomo más magnético de la naturaleza. Utilizaron el nuevo método para manipular dos capas de átomos de disprosio, y posicionaron las capas precisamente a 50 nanómetros de distancia. En esta extrema proximidad, las interacciones magnéticas fueron mil veces más fuertes que si las capas estuvieran separadas por 500 nanómetros.
Dos nuevos efectos provocados por la proximidad de los átomos.
Además, los científicos pudieron medir dos nuevos efectos provocados por la proximidad de los átomos. Sus fuerzas magnéticas mejoradas provocaron la termalización o la transferencia de calor de una capa a otra, así como oscilaciones sincronizadas entre capas. Estos efectos disminuyeron a medida que las capas se espaciaron más.
"Hemos pasado de posicionar átomos a una distancia de 500 nanómetros a 50 nanómetros, y hay mucho que se puede hacer con esto— dice Wolfgang Ketterle, profesor de Física John D. MacArthur en el MIT. Y añade—: A 50 nanómetros, el comportamiento de los átomos es tan diferente que aquí realmente estamos entrando en un nuevo régimen.
Ketterle y sus colegas dicen que el nuevo enfoque se puede aplicar a muchos otros átomos para estudiar fenómenos cuánticos. Por su parte, el grupo planea utilizar la técnica para manipular átomos en configuraciones que podrían generar la primera puerta cuántica puramente magnética, un componente clave para un nuevo tipo de computadora cuántica.
El equipo ha publicado sus resultados n la revista Science. Los coautores del estudio incluyen al autor principal y estudiante de posgrado en Física Li Du, junto con Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond y Yu-Kun Lu, todos miembros del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard, el Departamento de Física y el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.
Los estudiantes de posgrado Li Du, izquierda, y Yu-Kun Lu ajustan la electrónica de control de los sistemas láser. Cortesía: MIT
Para manipular y ordenar los átomos, los físicos suelen enfriar primero una nube de átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C) y, a continuación, utilizan un sistema de rayos láser para acorralar los átomos en una trampa óptica.
La luz láser es una onda electromagnética con una longitud de onda —la distancia entre los máximos del campo eléctrico— y una frecuencia específicas. La longitud de onda limita el patrón más pequeño al que puede adaptarse la luz a unos 500 nanómetros, el llamado límite de resolución óptica.
Dado que los átomos son atraídos por la luz láser de determinadas frecuencias, los átomos se situarán en los puntos de máxima intensidad del láser. Por esta razón, las técnicas existentes se han visto limitadas en cuanto a lo cerca que pueden posicionar las partículas atómicas, y no podían utilizarse para explorar fenómenos que ocurren a distancias mucho más cortas.
“Las técnicas convencionales se detienen en los 500 nanómetros, limitadas no por los átomos, sino por la longitud de onda de la luz— explica Ketterle. Y añade—: Ahora hemos encontrado un nuevo truco con la luz con el que podemos traspasar ese límite”.
Enfriando átomos hasta casi el cero absoluto.
El nuevo enfoque del equipo, al igual que las técnicas actuales, comienza enfriando una nube de átomos, en este caso, a aproximadamente 1 microkelvin, apenas un poco por encima del cero absoluto, momento en el cual los átomos casi se detienen por completo. Entonces, los físicos pueden usar láseres para mover las partículas congeladas en configuraciones deseadas.
Luego, Du y sus colaboradores trabajaron con dos haces de láser, cada uno con una frecuencia —o color— diferente, y polarización circular —o dirección del campo eléctrico del láser—. Cuando los dos haces viajan a través de una nube de átomos superenfriados, los átomos pueden orientar su spin en direcciones opuestas, siguiendo la polarización de cualquiera de los dos láseres.
El resultado es que los haces producen dos grupos de los mismos átomos, solo que con spins opuestos.
Cada rayo láser formaba una onda estacionaria, un patrón periódico de intensidad de campo eléctrico con un periodo espacial de 500 nanómetros. Debido a sus diferentes polarizaciones, cada onda estacionaria atraía y acorralaba a uno de dos grupos de átomos, en función de su espín.
¡Que nadie respire!
Los láseres podrían superponerse y sintonizarse de forma que la distancia entre sus respectivos picos fuera tan pequeña como 50 nanómetros, lo que significa que los átomos que gravitaran hacia los picos de cada láser estarían separados por los mismos 50 nanómetros.
Pero para que esto ocurriera, los láseres tendrían que ser extremadamente estables e inmunes a cualquier ruido externo, como el de las sacudidas o incluso la respiración de los participantes sobre el experimento. El equipo se dio cuenta de que podía estabilizar ambos láseres dirigiéndolos a través de una fibra óptica, que servía para bloquear los haces de luz en su lugar con respecto al otro.
“La idea de enviar ambos haces a través de la fibra óptica significaba que toda la máquina podía sacudirse violentamente, pero los dos haces láser permanecían absolutamente estables entre sí”, afirma Du.
Fuerzas magnéticas a corta distancia.
Como primera prueba de su nueva técnica, el equipo utilizó átomos de disprosio, un metal de tierras raras que es uno de los elementos magnéticos más fuertes en la tabla periódica, especialmente a temperaturas ultrabajas.
Sin embargo, a escala atómica, las interacciones magnéticas del disprosio son relativamente débiles, incluso a distancias de 500 nanómetros. Al igual que ocurre con los típicos imanes de una nevera, la atracción magnética entre los átomos aumenta con la proximidad, y los científicos sospechaban que si su nueva técnica pudiera espaciar los átomos de disprosio a tan solo 50 nanómetros de distancia, serían capaces de observar la emergencia de interacciones que de otro modo serían débiles entre los átomos magnéticos.
"Podríamos de repente tener interacciones magnéticas, que solían ser casi insignificantes pero que ahora son realmente fuertes", dice Ketterle.
El equipo aplicó su técnica al disprosio, primero superenfriando los átomos, luego pasando dos láseres a través de ellos para dividir los átomos en dos grupos de spin o capas. Más tarde dirigieron los láseres a través de una fibra óptica para estabilizarlos, y encontraron que, efectivamente, las dos capas de átomos de disprosio se gravitaban hacia sus respectivos picos láser, lo que en efecto separaba las capas de átomos por 50 nanómetros — la distancia más cercana que cualquier experimento de átomos ultrabaja ha podido lograr.
Se utilizan láseres de diferentes colores para enfriar y capturar átomos de disprosio. Cortesía: MIT
En esta proximidad extrema, las interacciones magnéticas naturales de los átomos aumentaron significativamente y fueron mil veces más fuertes que si se colocaran a 500 nanómetros de distancia. El equipo observó que estas interacciones daban lugar a dos fenómenos cuánticos novedosos: la oscilación colectiva, en la que las vibraciones de una capa hacían vibrar a la otra en sincronía; y la termalización, en la que una capa transfería calor a la otra, exclusivamente a través de las fluctuaciones magnéticas de los átomos.
“Hasta ahora, el calor entre átomos solo podía intercambiarse cuando se encontraban en el mismo espacio físico y podían colisionar—: señala Du. Y continúa—: Ahora hemos visto capas atómicas, separadas por el vacío, e intercambian calor a través de campos magnéticos fluctuantes”.
Los resultados del equipo introducen una nueva técnica que puede utilizarse para colocar muchos tipos de átomos muy próximos.
También demuestran que los átomos, colocados lo suficientemente cerca unos de otros, pueden mostrar fenómenos cuánticos interesantes, que podrían aprovecharse para construir nuevos materiales cuánticos y, potencialmente, sistemas atómicos accionados magnéticamente para ordenadores cuánticos.
“Estamos introduciendo métodos de superresolución en este campo, que se convertirán en una herramienta general para realizar simulaciones cuánticas— afirma Ketterle. Y concluye—: Hay muchas variantes posibles, en las que estamos trabajando”.
Publicado con el permiso del MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Li Du et al. Atomic physics on a 50-nm scale: Realization of a bilayer system of dipolar atoms. Science (2024). DOI: 10.1126/science.adh3023
