Según cuenta la historia, el matemático y técnico griego Arquímedes se encontró con un invento mientras viajaba por el antiguo Egipto que luego llevaría su nombre. Era una máquina que constaba de un tornillo alojado dentro de un tubo hueco que atrapaba y extraía agua al girar.
Ahora, los investigadores dirigidos por el físico Benjamin Lev de la Universidad de Stanford han desarrollado una versión cuántica del tornillo de Arquímedes que, en lugar de agua, transporta frágiles colecciones de átomos de gas a estados de energía cada vez más altos sin colapsar. Su descubrimiento se detalla en un artículo publicado el 14 de enero en Science.
Los físicos experimentales han creado un sistema de gas cuántico unidimensional único que permanece inusualmente estable a medida que se bombea a estados de mayor energía. Los investigadores lo comparan con el agua transportada por un tornillo de Arquímedes.
"Mi expectativa para nuestro sistema era que la estabilidad del gas solo cambiaría un poco", dijo Lev, quien es profesor asociado de física aplicada y de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. "No esperaba ver una estabilización completa y dramática. Eso fue más allá de mi concepción más salvaje".
En el camino, los investigadores también observaron el desarrollo de estados de cicatrices: trayectorias extremadamente raras de partículas en un sistema cuántico caótico en el que las partículas vuelven sobre sus pasos repetidamente como huellas superpuestas en el bosque. Los estados de cicatriz son de particular interés porque pueden ofrecer un refugio protegido para la información codificada en un sistema cuántico.
La existencia de estados de cicatriz dentro de un sistema cuántico con muchas partículas que interactúan, conocido como sistema cuántico de muchos cuerpos, solo se ha confirmado recientemente. El experimento de Stanford es el primer ejemplo del estado de la cicatriz en un gas cuántico de muchos cuerpos y solo el segundo avistamiento del fenómeno en el mundo real.
Lev se especializa en experimentos que amplían nuestra comprensión de cómo las diferentes partes de un sistema cuántico de muchos cuerpos se asientan en la misma temperatura o equilibrio térmico. Esta es un área de investigación emocionante porque resistir esta llamada "termalización" es clave para crear sistemas cuánticos estables que podrían impulsar nuevas tecnologías, como las computadoras cuánticas.
En este experimento, el equipo exploró lo que sucedería si modificaran un sistema experimental de muchos cuerpos muy inusual, llamado super gas Tonks-Girardeau. Estos son gases cuánticos unidimensionales altamente excitados, átomos en estado gaseoso que están confinados a una sola línea de movimiento, que se han sintonizado de tal manera que sus átomos desarrollan fuerzas de atracción extremadamente fuertes entre sí.
Lo genial de ellos es que, incluso bajo fuerzas extremas, teóricamente no deberían colapsar en una masa en forma de bola (como lo harán los gases atractivos normales). Sin embargo, en la práctica, colapsan debido a imperfecciones experimentales. Lev, que tiene una inclinación para el elemento fuertemente magnético disprosio, se preguntó qué pasaría si él y sus estudiantes crearan un gas súper Tonks-Girardeau con átomos de disprosio y alteraran sus orientaciones magnéticas "así". ¿Quizás resistirían el colapso un poco mejor que los gases no magnéticos?
“Las interacciones magnéticas que pudimos agregar fueron muy débiles en comparación con las interacciones atractivas que ya están presentes en el gas. Entonces, nuestras expectativas eran que no cambiaría mucho. Pensamos que todavía colapsaría, pero no tan fácilmente ". dijo Lev, quien también es miembro de Stanford Ginzton Lab_ y _Q-FARM . "Vaya, nos equivocamos".
Su variación de disprosio terminó produciendo un gas súper Tonks-Girardeau que permaneció estable sin importar qué. Los investigadores cambiaron el gas atómico entre las condiciones atractivas y repulsivas, elevando o "atornillando" el sistema a estados de energía cada vez más altos, pero los átomos aún no colapsaron.
Construyendo desde la fundación
Si bien no hay aplicaciones prácticas inmediatas de su descubrimiento, el laboratorio de Lev y sus colegas están desarrollando la ciencia necesaria para impulsar esa revolución de la tecnología cuántica que muchos predicen que se avecina. Por ahora, dijo Lev, la física de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera de equilibrio sigue siendo constantemente sorprendente.
“Todavía no hay ningún libro de texto en el estante que puedas sacar para decirte cómo construir tu propia fábrica cuántica”, dijo. "Si compara la ciencia cuántica con el lugar donde estábamos cuando descubrimos lo que necesitábamos saber para construir plantas químicas, digamos, es como si estuviéramos haciendo el trabajo de finales del siglo XIX en este momento".
Estos investigadores solo están comenzando a examinar las muchas preguntas que tienen sobre el tornillo cuántico de Arquímedes, incluida la forma de describir matemáticamente estos estados de cicatrices y, si el sistema se termaliza, lo que eventualmente debe hacer. De manera más inmediata, planean medir el impulso de los átomos en los estados de cicatriz para comenzar a desarrollar una teoría sólida sobre por qué su sistema se comporta de la manera en que lo hace.
Los resultados de este experimento fueron tan inesperados que Lev dice que no puede predecir con certeza qué nuevo conocimiento vendrá de una inspección más profunda del tornillo cuántico de Arquímedes. Pero eso, señala, es quizás el mejor experimentalismo.
“Esta es una de las pocas ocasiones en mi vida en las que he trabajado en un experimento que era verdaderamente experimental y no una demostración de la teoría existente. No sabía de antemano cuál sería la respuesta ”, dijo Lev. "Entonces encontramos algo que era realmente nuevo e inesperado".
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