Aprovechar electrones para crear dimensiones sintéticas

Una dimensión sintética es un grado de libertad codificado en un conjunto de estados internos o externos que pueden imitar el movimiento de una partícula en un potencial de red del espacio real. Son herramientas poderosas para la simulación cuántica, que abren posibilidades emocionantes.

Recientemente, físicos de universidad del arroz descubrió cómo controlar los electrones en los átomos gigantes de Rydberg con tal precisión que pueden crear dimensiones sintéticas. Los físicos han desarrollado un método para diseñar los estados de Rydberg de átomos de estroncio ultrafríos mediante la aplicación de campos eléctricos de microondas resonantes para acoplar muchos estados.

Al controlar con precisión y suavidad el movimiento de los electrones, el grupo pudo acoplar niveles de Rydberg similares a redes para simular aspectos de materiales reales.

Un átomo de Rydberg es un átomo excitado a un alto nivel de energía. Poseen varios niveles de energía cuántica regularmente espaciados. Esto permite que el electrón altamente excitado se mueva de un nivel a otro.

Kaden Hazzard del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Rice dijo: “En un experimento de física típico de la escuela secundaria, puedes ver líneas de emisión de luz de los átomos que corresponden a transiciones de un nivel de energía a otro. Incluso puedes verlo con un espectrómetro muy primitivo: un prisma!”

“Lo nuevo aquí es que pensamos en cada nivel como una ubicación en el espacio. Al enviar diferentes longitudes de onda de luz, podemos acoplar los niveles. Podemos hacer que los niveles parezcan partículas que se mueven de un lugar a otro en el espacio.

“Es difícil hacerlo con luz, o con una longitud de onda nanométrica radiación electromagnética –, pero trabajamos con longitudes de onda milimétricas, lo que técnicamente facilita la generación de acoplamientos.

El físico de Rice Tom Killian dijo: “Podemos configurar las interacciones, la forma en que se mueven las partículas y capturar toda la física importante de un sistema mucho más complicado”.

“Lo realmente emocionante será cuando juntemos varios átomos de Rydberg para crear partículas que interactúen en este espacio sintético. Con eso, podremos hacer física que no podemos simular en una computadora convencional porque se complica muy rápido.

Los científicos demostraron su técnica creando una red 1D conocida como el sistema Su-Schrieffer-Heeger. Para hacer esto, usaron láseres para enfriar los átomos de estroncio y aplicaron microondas alternando acoplamientos débiles y fuertes para crear la escena de ingeniería legítima. Los segundos láseres se utilizaron para energizar moléculas en el complejo de estado acoplado Rydberg a gran altitud.

Killian dijo, “El experimento reveló cómo las partículas se mueven a través de la red 1D o, en algunos casos, se congelan en los bordes a pesar de que tienen suficiente energía para moverse. Esto se relaciona con las propiedades de los materiales que se pueden describir en términos de topología.

Estudiante de posgrado Soumya Kanungo señalado, “Usar un simulador cuántico es un poco como usar un túnel de viento para aislar los efectos pequeños pero importantes que le interesan entre la aerodinámica más complicada de un automóvil o avión. Esto se vuelve importante cuando el sistema está gobernado por Mecánica cuánticadonde tan pronto como obtenemos más que unas pocas partículas y unos pocos grados de libertad, se vuelve complicado describir lo que está sucediendo.

“Los simuladores cuánticos son una de las frutas al alcance de la mano que la gente cree que serán herramientas tempranas y útiles para salir de las inversiones en información cuántica la ciencia. Este experimento combinó técnicas que ahora son bastante comunes en los laboratorios que estudian física atómica.

“Todas las tecnologías están bien establecidas. Incluso podría concebir que se convierta casi en una experiencia de caja negra que la gente podría usar porque las partes individuales son muy sólidas.

Referencia de la revista:

1. Kanungo, SK, Whalen, JD, Lu, Y. et al. Realización de estados de borde topológicos con dimensiones sintéticas de átomos de Rydberg. Común Nat 13, 972 (2022). YO: 10.1038/s41467-022-28550-y