Añadiendo sonido a la simulación cuántica

Cuando el sonido se incorporó por primera vez a las películas en la década de 1920, abrió nuevas posibilidades para los cineastas, como la música y el diálogo hablado. Los físicos pueden estar en la cúspide de una revolución similar, gracias a un nuevo dispositivo desarrollado en la Universidad de Stanford que promete traer una dimensión acústica a experimentos de ciencia cuántica previamente silenciosos.

En particular, podría llevar el sonido a una configuración de ciencia cuántica popular conocida como red óptica, que utiliza una red de rayos láser que se cruzan para organizar los átomos de una manera ordenada, similar a un cristal. Este instrumento se usa comúnmente para estudiar las propiedades fundamentales de los sólidos y otras fases de la materia que tienen formas geométricas repetidas. Sin embargo, el inconveniente de estas abrazaderas es que son silenciosas.

«Sin sonido ni vibración, perdemos un importante grado de libertad que se encuentra en los materiales reales», dijo. Benjamín LevD., profesor asistente de física aplicada y física, que puso su mirada en este tema cuando llegó por primera vez a Stanford en 2011. “Es como hacer sopa y olvidarse de la sal; realmente le quita el sabor a la ‘sopa cuántica’. «

Después de una década de ingeniería y medición estándar, Lev y sus colaboradores en la Universidad de Penn State y la Universidad de St Andrews han producido la primera red óptica de átomos que incluye sonido. La investigación fue publicada el 11 de noviembre en naturaleza temperamental. Al diseñar una cavidad ultrafina que sostiene la red entre dos espejos altamente reflectantes, los investigadores lograron que los átomos pudieran «verse» a sí mismos repetidas miles de veces a través de partículas de luz, o fotones, rebotando entre los dos espejos. Esta retroalimentación hace que los fotones se comporten como fonones Los componentes básicos del sonido.

«Si pudiera colocar su oído en la red óptica de los átomos, lo oiría oscilar a aproximadamente 1 kilohercio», dijo Lev.

Súper sólido con sonido

Los experimentos anteriores de redes ópticas fueron un asunto silencioso porque carecían de la flexibilidad particular de este nuevo sistema. Leaf, el joven estudiante graduado Sarang Gopalakrishnan, ahora profesor asistente de física en Penn State y coautor del artículo, y Paul Goldbart (actualmente decano de la Universidad de Stony Brook) propusieron la teoría fundamental de este sistema. Pero se necesitó una colaboración con Jonathan Keeling, un lector de la Universidad de St Andrews y coautor del artículo, y años de trabajo para construir el dispositivo correspondiente.

Para crear esta configuración, los investigadores llenaron una cavidad de espejo vacía con gas cuántico ultrafrío de rubidio. Esto en sí mismo es un superfluido, una fase de la materia en la que los átomos pueden fluir en remolinos sin resistencia. Cuando se expone a la luz, el rubidio superfluido se reorganiza automáticamente a Supersólido Una fase rara de la materia que muestra simultáneamente la disposición visible en cristales y la fluidez inusual de los superfluidos.

Vista de la cavidad dentro de una cámara de vacío, con los dos espejos altamente reflectantes visibles en la parte superior e inferior. (Crédito de la imagen: Lev Lab)

Lo que trajo el sonido a la cavidad fueron dos espejos cóncavos cuidadosamente espaciados, que son tan reflectantes que hay un 1 por ciento de posibilidades de que un solo fotón pase a través de ellos. Esta reflexión y la geometría específica de la configuración (el radio de los espejos curvos es igual a la distancia entre ellos) hacen que los fotones bombeados a la cavidad pasen por los átomos más de 10,000 veces. Al hacerlo, los fotones forman un enlace especialmente fuerte con los átomos, lo que los obliga a organizarse en una red.

«El lumen que usamos proporciona más flexibilidad en términos de la forma de la luz que rebota de un lado a otro entre los espejos», dijo Leif. «Es como si, en lugar de simplemente permitirle hacer una ola en un recipiente con agua, ahora pudiera rociar a punto de hacer cualquier tipo de patrón de ola».

Esta cavidad especial permitió que la red de átomos de un superfluido (supersólido) se moviera para que, a diferencia de otras redes ópticas, se distorsionara libremente cuando se presionaba; esto crea ondas de sonido. Para comenzar a disparar fonones a través de la red elástica, los investigadores los comprimieron usando una herramienta llamada modulador de luz espacial, que les permite programar diferentes patrones en la luz que inyectan en la cavidad.

Los investigadores evaluaron cómo esto afectó el contenido de la cavidad tomando una imagen en 3D de la luz que se abrió paso. El holograma registra tanto la amplitud como el paso de la onda de luz, lo que permite obtener imágenes de fonones. Además de mediar la intrigante física, la alta curvatura de los espejos dentro del dispositivo produce una imagen de alta resolución, como un microscopio, lo que lleva a los investigadores a llamar a su creación «microscopía de gas cuántica activa».

El estudiante de posgrado y autor principal Yudan Guo, quien recibió una Beca Q-FARM Para respaldar este trabajo, dirigió el esfuerzo para confirmar la presencia de fonones en el dispositivo, lo que se hizo enviando diferentes patrones de luz, midiendo lo que salía y comparándolo con la curva de dispersión de Goldstone. Esta curva muestra cómo se espera que la energía, incluido el sonido, se mueva a través de los cristales; Confirmó el hecho de que sus resultados coincidían con la presencia de fonones y el estado super-sólido oscilante.

Dos del mismo tipo

Hay muchas direcciones que Lev espera que su laboratorio, y posiblemente otras, tome con esta invención, incluido el estudio de la física de superconductores exóticos y la creación cuántica. Redes neuronales – razón por la cual el equipo ya está trabajando en la creación de una segunda versión de su dispositivo.

«Abra un libro básico de física del estado sólido y verá que una buena parte tiene que ver con los fonones», dijo Leif. «Y hasta ahora, no hemos podido estudiar nada basado en eso con simuladores cuánticos que usan átomos y fotones porque no hemos podido simular esta forma básica de sonido».