Retorciendo átomos a través del espacio y el tiempo

Una de las aplicaciones más emocionantes de las computadoras cuánticas será observar las mismas reglas cuánticas que las hacen funcionar. Las computadoras cuánticas se pueden usar para simular la física cuántica en sí misma y tal vez incluso explorar reinos que no existen en ninguna parte de la naturaleza.

Pero incluso en ausencia de una computadora cuántica a gran escala completamente funcional, los físicos pueden usar un sistema cuántico que pueden controlar fácilmente para emular un sistema más complicado o menos accesible. Los átomos ultrafríos, átomos que se enfrían a temperaturas justo por encima del cero absoluto, son una plataforma líder para la simulación cuántica. Estos átomos se pueden controlar con rayos láser y campos magnéticos, y los convencieron de realizar una rutina de danza cuántica coreografiada por un experimentador. También es bastante fácil examinar su naturaleza cuántica utilizando imágenes de alta resolución para extraer información después, o mientras, completan sus pasos.

Ahora, los investigadores del JQI y el Quantum Leap Challenge Institute for Robust Quantum Simulation (RQS) de la NSF, dirigidos por el ex becario postdoctoral del JQI Mingwu Lu y el estudiante graduado Graham Reid, han entrenado a sus átomos ultrafríos para hacer un nuevo baile, lo que se suma a la creciente simulación cuántica. caja de herramientas En un par de estudios, doblaron sus átomos fuera de forma, enrollando sus giros mecánicos cuánticos en el espacio y el tiempo antes de unirlos para crear una especie de pretzel cuántico de espacio-tiempo.

Mapearon la forma curvilínea del espacio-tiempo que crearon e informaron sus resultados en un artículo titulado «Floquet Engineering Topological Dirac Bands» en la revista. cartas de revisión física el verano pasado. En un experimento de seguimiento, observaron cómo sus átomos hacían la transición entre diferentes formas retorcidas y encontraron una estructura rica inaccesible para los átomos estacionarios simples. Publicaron este resultado, titulado «Rotura de simetría inducida dinámicamente y topología de no equilibrio en un sistema cuántico 1D», en cartas de revisión física en septiembre.

Los devanados que estudiaron están relacionados con el campo matemático de la topología: la clasificación de objetos según la cantidad de agujeros que tienen. Las donas son topológicamente idénticas a los hula hoops y las tazas de café en el sentido de que cada una tiene un orificio pasante. Pero las donas son diferentes de los anteojos, que tienen dos agujeros, o de los pretzels, que tienen tres.

Esta clasificación engañosamente simple de formas ha tenido un impacto sorprendente en la física. Explicó cosas como el efecto Hall cuántico, que produce una resistencia eléctrica repetible con precisión utilizada para definir el patrón de resistencia, y aisladores topológicosque algún día pueden servir como componentes de computadoras cuánticas robustas.

En entornos físicos, ya sean piezas sólidas de metal o átomos ultrafríos, la topología que preocupa a los físicos no está realmente relacionada con la forma del material real. Más bien, es la forma que toman las ondas cuánticas que viajan dentro del material. A menudo, los físicos observan una propiedad intrínseca de las partículas cuánticas llamada giro y cómo gira a medida que una partícula se acelera o se ralentiza dentro del trozo sólido.

La mayoría de los sólidos son cristales, formados por una rejilla regular que se extiende en todas las direcciones en un patrón repetitivo de átomos igualmente espaciados. Para los electrones que flotan libremente dentro de esta red, saltar de un átomo idéntico a otro no hace ninguna diferencia: el paisaje es exactamente el mismo hasta donde alcanza la vista. Aparece una cuadrícula similar en el paisaje de las velocidades de los electrones: las cosas pueden cambiar cuando el electrón comienza a acelerar, pero a ciertas velocidades, el paisaje se verá igual, como si no se moviera en absoluto.

Pero la posición y la velocidad son solo dos propiedades del electrón. Otra es rotar. El espín puede comportarse de manera algo independiente a medida que cambian la posición y la velocidad, pero cuando la posición cambia en una ubicación o la velocidad cambia en una velocidad «local», el espín debe permanecer sin cambios, otro reflejo de la simetría presente en el cristal. Pero entre dos sitios o dos «sitios» de velocidad todo vale. La forma sinuosa que dibuja el giro antes de volver a donde comenzó es lo que define la topología.

En el mundo de la simulación cuántica, los átomos ultrafríos pueden emular electrones en un cristal. El papel del cristal lo desempeñan los láseres, creando un patrón repetitivo de luz para que lo habiten los átomos ultrafríos. La ubicación y la velocidad de los átomos también adquieren un patrón repetitivo, y los espines atómicos trazan formas que definen la topología.

En su experimento sinuoso, Lu y sus compañeros de laboratorio crearon un cristal bidimensional, pero no en las dos dimensiones habituales de una hoja de papel. Una de las dimensiones estaba en el espacio, como la dirección de un alambre delgado, mientras que la otra era el tiempo. En esta lámina compuesta de espacio y tiempo, el espín de sus átomos dibujaba una curiosa forma según el tamaño de los átomos. velocidad en el cristal del espacio-tiempo.

«La topología se define en las superficies», dice Ian Spielman, miembro del JQI, investigador principal de investigación y director asociado de investigación de RQS. «Una de las dimensiones que definen la superficie podría ser el tiempo. Esto se conoce teóricamente desde hace algún tiempo, pero solo ahora se está probando experimentalmente».

Para crear una superficie que se curvara tanto en el espacio como en el tiempo, los investigadores dispararon láseres bidireccionales y un campo magnético de radiofrecuencia desde arriba en su nube de átomos ultrafríos. los láseres y campo magnético se combinaron para crear áreas de energía superior e inferior desde las cuales los átomos fueron empujados o atraídos, como un cartón de huevos para que los átomos vivieran dentro. Esta caja tenía una forma peculiar: en lugar de dos filas de ranuras como una docena normal que encontrarías en una tienda de comestibles, solo había una fila. Y cada ranura de la caja estaba compuesta por dos subranuras (ver la figura a continuación). Esto produjo el patrón repetitivo similar a un cristal a lo largo de una línea en el espacio.

Al ajustar cómo se alinean los láseres y los campos magnéticos, el equipo puede cambiar todo el patrón hacia un lado en una subranura. Pero no cambiaron solo una vez. Agitaron rítmicamente el cartón de huevos de un lado a otro entre los dos. Esta agitación rítmica creó un patrón repetitivo en el tiempo, similar al patrón espacial repetitivo de los núcleos en un cristal.

Para hacer esto, tenían que asegurarse de que su cartón de huevos láser, así como la sincronización de la luz estroboscópica, fueran correctos. «La parte más difícil fue encontrar el momento adecuado», dice Graham Reid, estudiante graduado en física y uno de los autores del artículo. «Este experimento realmente se basa en la sincronización muy precisa de cosas que no conoces a priori, por lo que solo tienes que hacer muchos ajustes».

Sin embargo, después de muchos ajustes, obtuvieron imágenes experimentales del giro de los átomos en este cristal de espacio-tiempo. Mapearon el devanado del girar mientras atravesaba el tiempo y el espacio en su camino de regreso a donde comenzó. De esta manera, midieron directamente la topología de bobinado que construyeron.

A raíz de ese trabajo, utilizaron el mismo patrón de láser para realizar un experimento relacionado con la topología muy diferente. En lugar de buscar una topología en el espacio y el tiempo, se centraron solo en la dimensión espacial. Esta vez, prepararon sus átomos de diferentes maneras: todos girando hacia abajo, todos girando hacia arriba o una mezcla.

Estos no eran estados cómodos y naturales para los átomos en el patrón de láser que crearon, y eventualmente los átomos se asentarían en sus estados más naturales: sus estados de equilibrio. Pero en el camino, los investigadores pudieron capturar imágenes congeladas de muchas formas topológicas diferentes, algunas que nunca ocurrirían, excepto por un instante. Estos resultados revelaron nuevos misterios que los investigadores están ansiosos por investigar.

«Hay dos grandes preguntas que creo que sería bueno responder», dice Spielman. «La primera es que el resultado de la topología de espacio-tiempo realmente solo funcionó en el tiempo ajustado. Me pregunto si hay una manera de hacer que esto sea sólido. En segundo lugar, para la topología fuera de equilibrio, me interesa ver qué sucede. cuando rápidamente cambiar entre una amplia variedad de estados topológicos».

Además de Spielman, quien también es miembro del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Reid y Lu, quien ahora está en Atom Computing, los autores de los artículos incluyen a Amilson Fritsch, ex becario postdoctoral de JQI ahora en la Universidad de São Paulo São Carlos y Alina Piñeiro, estudiante de posgrado en física en JQI.