A temperaturas extremadamente bajas los átomos se pueden agregar en los llamados Condensados Bose Einstein (BEC) formando ondas de materia coherentes como el láser. Debido a las interacciones entre los átomos surge la dinámica fundamental cuántica y da lugar a derrumbamientos y renacimientos periódicos del campo de onda de materia.
Un grupo de científicos dirigidos por el profesor Immanuel Bloch (Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania) ha alcanzado una mirada "detrás de escena" de las interacciones atómicas que revela la compleja estructura de esta dinámica cuántica. Mediante la generación de miles de BEC en miniatura, ordenados en una red óptica, los investigadores pudieron observar un gran número de ciclos de colapso y renacimiento durante largos períodos de tiempo. Los resultados experimentales implican que los átomos no sólo interactúan de a pares -como normalmente se asume- sino que también realizan colisiones exóticas en las que participan tres, cuatro o más átomos, al mismo tiempo. Por un lado, estos resultados tienen una importancia fundamental para la comprensión de sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Por otra parte, allanarán el camino para la generación de nuevos estados exóticos de la materia, a partir de estas interacciones multi-cuerpo.
El experimento comienza refrigerando una nube diluida de unos cientos de miles de átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto, aproximadamente -273 grados centígrados. A estas temperaturas los átomos forman el llamado condensado Bose-Einstein (BEC), una fase cuántica en la cual todas las partículas ocupan el mismo estado cuántico. Ahora una red óptica se superpone a la BEC: este es un tipo de cristal artificial hecho de luz con zonas brillantes y oscuras organizadas periódicamente, generadas por la superposición de ondas de luz láser desde diferentes direcciones. Esta red puede ser vista como un "cartón de huevos" en el que los átomos están distribuidos. Considerando que, en un cartón de huevos reales cada sitio es ocupado por un solo huevo o ninguno, el número de átomos en cada sitio de la red está determinado por las leyes de la mecánica cuántica: Dependiendo de la altura de la red (por ejemplo, la intensidad del haz de láser ) los sitios de la misma solo pueden ser ocupado por cero, uno, dos, tres o más átomos, al mismo tiempo.
El uso de esos "estados de superposición de número de átomo" es la clave para el nuevo principio de medición desarrollado por los investigadores. La dinámica de un estado de número de átomo puede ser comparada con la dinámica de un péndulo oscilante. Así como péndulos de longitudes diferentes se caracterizan por diferentes frecuencias de oscilación, lo mismo se aplica a los estados de diferente número de átomos. "Sin embargo, estas frecuencias son modificadas por las colisiones interatómicas. Si sólo estuvieran presentes interacciones de a pares entre átomos, los péndulos que representan los estados de número de átomo individuales se balancearían sincrónicamente y sus frecuencias de oscilación serían los múltiplos exactos de la frecuencia del péndulo para dos átomos que actúan recíprocamente", explica Sebastian Will, estudiante graduado en el experimento.
Usando un complicado montaje experimental, los físicos pudieron seguir la evolución de las distintas oscilaciones superpuestas en el tiempo. Periódicamente los patrones de interferencia se hacen visibles y desaparecen, una y otra vez. Por su intensidad y periodicidad los físicos encontraron evidencia inequívoca de que las frecuencias no son realmente simples múltiplos del caso de dos cuerpos. "Esto realmente nos tomó por sorpresa. Tomamos conciencia de que un mecanismo más complejo debe estar trabajando", recuerda Sebastián. "Debido a su temperatura ultrabaja los átomos ocupan los estados cuánticos de energía más bajos posibles en cada sitio de la red. Sin embargo, el principio de incertidumbre de Heisenberg les permite hacer -por así decirlo- un desvío virtual a través de estados cuánticos de energías más altas durante la colisión. Prácticamente, este mecanismo da lugar a colisiones exóticas, que implican a tres, cuatro o más átomos, al mismo tiempo."
Los resultados reportados en la revista Nature proporcionan una mejor comprensión de las interacciones entre las partículas microscópicas. Esto no sólo puede ser de interés científico fundamental, sino encontrar una aplicación directa en el contexto de los átomos ultrafríos en redes ópticas. Debido a la excepcional controlabilidad experimental, los átomos ultrafríos en redes ópticas pueden formar un "simulador cuántico" para modelar sistemas de materia condensada. Este simulador cuántico se espera que ayude a entender la física detrás de la superconductividad o el magnetismo cuántico. Además, como cada sitio de la red representa un pequeño laboratorio para la generación de estados cuánticos exóticos, los montajes experimentales utilizando redes ópticas pueden llegar a ser las sondas más sensible para observar las colisiones atómicas.
Más información: Sebastian Will, Thorsten Best, Ulrich Schneider, Lucia Hackermüller, Dirk-Sören Lühmann, Immanuel Bloch, "Time-resolved observation of coherent multi-body interactions in quantum phase revivals" Nature, DOI:10.1038/nature09036, May 13, 2010
Fuente:
Quantum dynamics of matter waves reveal exotic multibody collisions
(Max-Planck-Gesellschaft)
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