Los avances en física cuántica A menudo ocurren a través de pequeños pasos, pero de vez en cuando ocurre un descubrimiento que reescribe las reglas. Intenta hacer un acto complejo: imagina por un momento dos átomos “conversando” entre ellosintercambiando energía y radiación de forma completamente coordinada, y todo en un ambiente ultrafrío. Esta “conversación atómica“No sólo es posible, sino que ha revelado nuevos secretos sobre la dinámica cuántica que han permanecido ocultos durante más de siete décadas.
Un equipo de físicos dirigido por el profesor Dominik Schneble de la Universidad de Stony Brook ha logrado un hito que aborda un problema planteado por el físico Robert H. Dicke en 1954. En aquel momento, Dicke teorizó que los átomos pueden interactuar colectivamente durante su emisión espontánea, un proceso conocido como superradiancia y su opuesto, subradiancia. Sin embargo, ciertos aspectos de esta teoría no se habían observado experimentalmente hasta ahora. Este grupo ha aprovechado la física de los átomos ultrafríos y las ondas de la materia para acceder a fenómenos cuánticos sin precedentes y comprender mejor cómo se comportan la luz y la materia en estos sistemas complejos.
En el mundo de la mecánica cuántica, emisión espontánea Ocurre cuando un átomo excitado libera energía en forma de radiación y cae a un estado de menor energía. Normalmente este proceso es individual, pero Dicke demostró que en presencia de otros átomos, la radiación puede volverse colectiva. Esto significa que los átomos pueden “colaborar” en su emisión, generando estados superradiantes (con emisión más intensa) o estados subradiantes (donde se inhibe la emisión).
El experimento dirigido por Schneble utilizó átomos ultrafríos dispuestos en una red óptica unidimensional, creando un sistema de emisores sintéticos. Estos átomos emitieron ondas de materia, que son mucho más lentas que los fotones en los sistemas convencionales. Este detalle ha permitido a los investigadores observar efectos cooperativos en escalas de tiempo y espacio imposibles de lograr con la luz ordinaria. Tal y como explican en su publicación en Física de la naturaleza“La dinámica colectiva se forma sólo después de que los emisores vecinos logran comunicarse entre sí”.
Al ralentizar estas interacciones, el equipo acordó Regímenes radiativos sin precedentes.lo que no sólo confirmó aspectos de la teoría de Dicke, sino que también abrió una nueva ventana para explorar cómo se puede manipular la radiación colectiva en sistemas cuánticos.
Aunque los átomos no “hablan” literalmente, el intercambio de energía y radiación entre ellos puede entenderse como una forma de comunicación cuántica. Cuando un átomo emite radiación, afecta a los átomos vecinos a través de campos comunes, como las ondas de materia. Este proceso dinámico y coordinado permite la formación de comportamientos colectivos.como la superrradiancia, donde se intensifica la emisión, o la subradiancia, donde se inhibe.
En este experimento, las ondas de materia, mucho más lentas que los fotones, permitieron a los investigadores ralentizar esta “conversación” atómica y observar cómo los emisores vecinos “negocian” su participación en la emisión colectiva. Este fenómeno, que en sistemas más rápidos ocurre casi instantáneamente, ahora puede analizarse en detalle, revelando Nuevos secretos de la interacción cuántica colectiva..
Uno de los logros más notables de esta investigación es la capacidad de manipular estados subradiantes con un nivel de control sin precedentes. Los estados subradiantes son particularmente interesantes porque “ocultan” la radiación dentro del sistema en lugar de liberarla. Schneble y su equipo demostraron que pueden desactivar completamente las emisiones espontáneas y rastrear dónde se almacena la energía en la red atómica.
¿Por qué es esto importante? La capacidad de controlar y estudiar estos procesos. podría revolucionar las tecnologías en desarrollocomo las redes cuánticas de larga distancia. Por ejemplo, en estas redes, los fotones que transportan información cuántica pueden tardar un tiempo considerable en viajar entre emisores, lo que presenta desafíos que este nuevo enfoque podría resolver.
Pero hay más. La investigación abordó el aspecto teórico del problema.. En un artículo complementario publicado en Investigación de revisión físicalos autores Alfonso Lanuza y Dominik Schneble encontró una solución matemática exacta para describir cómo dos emisores completamente excitados interactúan con su entorno cuántico. Este avance teórico Es esencial comprender fenómenos colectivos complejoscomo el entrelazamiento y la sincronización cuántica en sistemas de múltiples partículas.
La elección de utilizar átomos ultrafríos y ondas de materia en lugar de luz no fue accidental. Las ondas de materia se comportan de manera similar a los fotones.pero con una ventaja clave: se mueven mucho más lentamente. Esto ha permitido al equipo observar cómo los átomos “negocian” su emisión colectiva, algo que ocurre casi instantáneamente con los fotones.
El uso de ondas de materia también introdujo nuevas complejidades. Los investigadores tuvieron que lidiar con procesos como reabsorción y rebote de excitaciones entre los átomos. Como señaló Lanuza, este fenómeno es como “un complicado juego de atrapar y soltar“, donde los átomos y las ondas de materia intercambian energía de formas que no se han descrito completamente antes.
A pesar de estas complicaciones, el equipo pudo modelar matemáticamente este comportamiento. Sus resultados mostraron que, bajo condiciones específicas, Los átomos pueden formar estados enlazados.s, donde la radiación queda atrapada en el sistema. Estos estados son cruciales para futuras aplicaciones en tecnologías cuánticas.
La capacidad de controlar la superrradiancia y la subradiancia tiene implicaciones que trascienden la física fundamental. En el campo de la computación cuántica y las comunicaciones, minimizar las pérdidas de información Es un desafío constante. Los resultados de este estudio podrían conducir a métodos más eficaces para almacenar y transferir información cuántica de forma segura y eficiente.
Otro campo que podría beneficiarse es metrología cuánticadonde se utilizan sistemas cuánticos para realizar mediciones ultraprecisas. Los estados subradiantes, al ser menos propensos a emisiones espontáneas, podrían servir como herramientas de medición más estables y fiables.
Finalmente, los investigadores señalaron que su trabajo sienta las bases para explorar redes cuánticas más grandes y complejas. Como sugieren los autores, “nuestros resultados en dinámica radiativa colectiva posicionan las ondas de materia ultrafría como una herramienta versátil para estudiar la óptica cuántica en sistemas extendidos y ordenados”.
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