Equipo de investigación de la TU Kaiserslautern revela los mecanismos del transporte de energía atómica en el mundo cuántico

Nube de átomos ultrafría de átomos de rubidio, que se utilizan en este experimento: Se puede ver la fluorescencia que se produce durante la excitación láser. (Foto: AG Ott/TUK)

El transporte de energía entre átomos y moléculas es la base de toda la vida. Se basa en fuerzas entre átomos, la llamada interacción dipolo-dipolo. Al grupo de investigación del Prof. Dr. Herwig Ott en la Universidad Tecnológica de Kaiserslautern (TUK) le ha sido posible ahora imitar tal mecanismo de transporte en un sistema desordenado. Para ello, los investigadores observaron experimentalmente la interacción cuántica entre diferentes átomos de Rydberg. Así pudieron comprender la influencia del desorden en la distribución y movilidad de la energía de excitación entre los átomos. La revista especializada "Nature Communications" publicó los resultados.

Cómo se realiza el transporte de energía entre átomos y moléculas, se ilustra, por ejemplo, con la fotosíntesis: Cuando la luz incide en una célula, su energía primero es absorbida por una molécula y luego transportada a través de muchas otras moléculas desordenadas. Cuando este paquete de energía finalmente llega al llamado centro de reacción, se produce su almacenamiento permanente en forma de conversión química.

Para entender mejor estos mecanismos de transporte, el equipo de investigación eligió un enfoque experimental especial y se adentró en el régimen cuántico: "Hemos superado varios desafíos tecnológicos", explica Carsten Lippe, autor principal del estudio. "Solo con mirar las condiciones necesarias se puede ver esto: a una presión ambiental aproximadamente 1000 veces menor que en el espacio alrededor de la ISS, y a temperaturas cercanas al cero absoluto, algunos átomos son excitados mediante radiación láser y se colocan en un estado de Rydberg. En este estado, en el que un electrón se sitúa en una órbita muy lejana respecto al núcleo atómico, el átomo es aproximadamente 10.000 veces más grande que en su estado normal".

Gracias a este tamaño gigante, un átomo en estado de Rydberg es muy sensible a otros átomos de este tipo y permite estudiar experimentalmente las interacciones entre átomos, que de otro modo ocurrirían en escalas mucho menores.

En el marco de su experimento, los investigadores generaron sucesivamente dos tipos diferentes de átomos de Rydberg usando distintos sistemas láser y estudiaron el transporte de energía entre ellos. Encontraron efectos cuánticos que contradicen nuestra idea cotidiana. "Clásicamente, se puede imaginar este proceso de transporte como un salto: la energía o excitación salta entre las moléculas. En la física cuántica, esto es diferente debido al llamado principio de superposición: la excitación puede, por ejemplo, saltar simultáneamente a varias moléculas, transportándose de manera mucho más eficiente en el sistema. A esto se le llama transporte coherente", explica Ott.

Los investigadores demostraron que la proporción entre el salto clásico y el transporte coherente puede ajustarse controladamente en el experimento. Esto se logra mediante pequeñas variaciones en la longitud de onda del láser de excitación utilizado. "Normalmente, los efectos cuánticos son frágiles y desaparecen cuando hay perturbaciones, como las que se presentan en el sistema actual debido al desorden atómico en el gas", dice Thomas Niederprüm, quien junto con Ott dirigió el trabajo. "Que estos efectos hayan podido ser observados en el estudio puede ayudar a comprender mejor otros sistemas complejos. La interacción entre átomos de Rydberg puede transferirse a otros ámbitos de la investigación actual, por ejemplo, en la absorción y transporte de luz en moléculas durante la fotosíntesis. Estudios recientes han demostrado que también en la fotosíntesis los efectos cuánticos juegan un papel importante y que el transporte de energía, a pesar del desorden, ocurre de manera sorprendentemente eficiente".

El trabajo de este estudio se realizó en el marco del programa de investigación especial OSCAR ("Control de sistemas abiertos de materia atómica y fotónica"), en el que la TUK, junto con la Universidad de Bonn, recibe financiación de la Fundación Alemana de Investigación. Los resultados de las mediciones y simulaciones, así como una descripción del montaje experimental, se publicaron en la prestigiosa revista "Nature Communications":

"Realización experimental de un modelo de salto aleatorio en 3D"; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm y Herwig Ott. El artículo en inglés está disponible de forma gratuita.
DOI: doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Preguntas respondidas por:
Prof. Dr. Herwig Ott
Departamento de Gases Cuánticos Ultrafríos y Óptica Atómica / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
Correo electrónico: ott@physik.uni-kl.de