El estado de Hall cuántico fraccional aparece en átomos ultrafríos

El estado de Hall cuántico fraccional aparece en átomos ultrafríos

Marca de tiempo: 14 de julio de 2023 4:00 a. M.

imagen abstracta de átomos ultrafríos
Átomos ultrafríos manipulados por láseres realizaron un estado de Laughlin, un peculiar líquido cuántico donde cada átomo baila alrededor de sus congéneres. (Cortesía: Nathan Goldman)

Físicos de la Universidad de Harvard en los EE. UU. han creado por primera vez un nuevo líquido cuántico de interacción fuerte conocido como estado de Laughlin en un gas de átomos ultrafríos. El estado, que es un ejemplo de un estado Hall cuántico fraccional (FQH), se había visto previamente en sistemas de materia condensada y en fotones, pero las observaciones en átomos habían sido difíciles de alcanzar debido a los estrictos requisitos experimentales. Debido a que los sistemas atómicos son más simples que sus contrapartes de materia condensada, el resultado podría conducir a nuevos conocimientos sobre la física fundamental.

"Algunos de los fenómenos más intrigantes de la física de la materia condensada surgen cuando se confinan los electrones en dos dimensiones y se les aplica un fuerte campo magnético", explica julian leonard, investigador postdoctoral en la Laboratorio de rubidio en Harvard y el autor principal de un artículo en Naturaleza sobre la nueva obra. “Por ejemplo, las partículas pueden comportarse colectivamente como si tuvieran una carga que es solo una fracción de la carga elemental, algo que no ocurre en ningún otro lugar de la naturaleza e incluso está descartado por el Modelo Estándar para todas las partículas fundamentales”.

La forma en que surgen tales cargas fraccionarias aún no se comprende completamente porque es difícil estudiar los sistemas de estado sólido a escala atómica. Por eso es tan deseable estudiar el comportamiento de los FQH en sistemas cuánticos sintéticos como los átomos fríos, que actúan como simuladores cuánticos de fenómenos más complejos de materia condensada.

En el último estudio, por ejemplo, los miembros del equipo de Harvard observaron directamente partículas en su sistema atómico moviéndose unas alrededor de otras en un patrón circular, algo así como "bailarines en un vals", dice Léonard. "Este movimiento de vórtice es demasiado pequeño para verlo en una muestra de estado sólido, pero podemos resolverlo en nuestro experimento", dice. Mundo de la física.

Hacer que los átomos se comporten más como electrones

Para crear el estado de Laughlin, Léonard y sus colegas utilizaron rayos láser superpuestos para formar un potencial reticular periódico hecho de luz. Luego colocaron átomos en cada sitio de la red y ajustaron los parámetros de los haces para que los átomos pudieran "saltar" entre sitios. Esta configuración imita el potencial periódico que experimentan los electrones en un sólido cristalino, explica Léonard. “La única diferencia es que nuestro cristal artificial es más de 1000 veces más grande, por lo que podemos observar y controlar cada 'electrón' con un microscopio óptico”, dice.

Uno de los principales desafíos para el equipo de Harvard fue imitar la respuesta de los electrones a los campos magnéticos. Mientras que los electrones con carga negativa experimentan una fuerza (la fuerza de Lorenz) en una dirección perpendicular a su movimiento cuando se colocan en un campo magnético, los átomos que desempeñan el papel de electrones en la nueva plataforma son eléctricamente neutros, lo que significa que esta fuerza está ausente. Por lo tanto, los investigadores tuvieron que "engañar" a los átomos para que se comportaran más como electrones en un campo magnético.

Para ello, se basaron en el hecho de que cuando los electrones circunnavegan un campo magnético, su función de onda adquiere una fase. Esto se conoce como el Efecto Aharonov-Bohm, y Léonard explica que pudieron crear un equivalente en átomos fríos. “En nuestros experimentos, utilizamos varios rayos láser que aplicaron exactamente esta fase a las funciones de onda de los átomos”, dice.

Posibilidad de observar anyons

El equipo también enfrentó desafíos para crear el campo magnético fuerte y diseñado con precisión requerido para observar los estados FQH, que anteriormente había permanecido fuera del alcance de los experimentos de laboratorio, agrega Léonard. “Ahora hemos demostrado por primera vez que es posible estudiar sistemas fuertemente correlacionados bajo un campo magnético en un simulador cuántico”, dice. “Por lo tanto, ahora es posible estudiar tales estados a nivel microscópico y obtener nuevos conocimientos sobre ellos. Incluso podemos descubrir fenómenos completamente nuevos que hasta ahora han permanecido inaccesibles”.

Si bien la cantidad de átomos en el estado FQH Laughlin observado por los investigadores es pequeña, con solo dos átomos en 16 sitios de red, el equipo cree que el tamaño del sistema podría aumentar. “Un sistema más grande nos permitirá obtener una visión aún mejor de la física que subyace al efecto FQH y un aspecto que nos entusiasma especialmente observar son las excitaciones en tales sistemas”, dice Léonard. "Se cree que estos no son ni fermiones ni bosones, sino los llamados aniones, que son un tipo de partícula completamente nuevo que queda fuera de nuestra clasificación habitual de estadísticas cuánticas".

Sello de tiempo:

Mas de Mundo de la física