Estudio: Contaminación atómica similar a la de las piedras preciosas que funciona como memoria de información cuántica

Los dos físicos, el profesor Dr. Artur Widera (a la derecha) y su doctorando Felix Schmidt, investigan ... (Foto: TUK/Koziel)

Las impurezas en materiales son responsables del color de las piedras preciosas o de la capacidad de rendimiento de los semiconductores modernos. Lo mismo ocurre con los sistemas cuánticos, donde apenas se ha investigado. Por primera vez, físicos de Kaiserslautern lograron introducir controladamente una impureza individual de átomos de cesio en un gas cuántico ultracool de átomos de rubidio. Han observado cómo las impurezas intercambiaban excitaciones cuánticas (espín) con el gas. Además, han demostrado que los átomos de cesio pueden almacenar información cuántica. Esto no había sido posible hasta ahora. El estudio ha sido publicado en la prestigiosa revista especializada "Physical Review Letters".

Las impurezas de átomos individuales, como en las piedras preciosas, también existen en otros materiales y sustancias. En la física cuántica, son responsables de diversos efectos y, por lo tanto, son de interés para los experimentos. En la TUK, físicos dirigidos por el profesor Dr. Artur Widera y su doctorando Felix Schmidt han observado por primera vez cómo se comportan estas impurezas en un condensado de Bose-Einstein con átomos de rubidio. "En física, esto se denomina un estado de la materia que es comparable a los estados líquido y gaseoso. Sin embargo, tal condensado es un estado cuántico perfecto que se comporta como una onda", dice el profesor Widera, quien lidera el grupo de Sistemas Cuánticos Individuales. Para los físicos, el condensado de Bose-Einstein es un modelo popular para estudiar efectos cuánticos, similar a cómo la mosca de la fruta Drosophila se utiliza en biología y medicina como organismo modelo para responder a cuestiones genéticas.

En su estudio actual, los físicos de Kaiserslautern investigaron una de estas impurezas en un gas cuántico. Para ello, lo enfriaron a temperaturas cercanas al cero absoluto, -273,15 °C. "De esta manera, podemos controlar un sistema cuántico", dice el primer autor Felix Schmidt. Como impureza, los investigadores utilizaron átomos de cesio. En torno a 10.000 átomos de rubidio, se añadieron entre cinco y diez átomos de cesio. "El sistema puede ser examinado bajo un microscopio. El gas ultracool tiene un tamaño de diez micrómetros", continúa el doctorando. Así, los investigadores localizaron impurezas individuales y observaron cómo cambiaba su estructura, el llamado espín, mediante la interacción con el gas cuántico. "Hasta ahora, no era posible observar átomos individuales en dicho gas. Nos alegra que hayamos logrado esto en el experimento", dice Schmidt.

Además, los investigadores verificaron si los átomos de cesio pueden usarse como memoria de información y enfriarse simultáneamente en el gas cuántico. "Para que los átomos puedan almacenar información, su estado electrónico debe mantenerse", explica Widera. "Pero, dado que en el condensado hay interacciones con otros átomos, existe el riesgo de que, por perturbaciones, pierdan información sensible". Los investigadores lograron, por primera vez, enfriar los átomos en el gas cuántico de manera que la información cuántica no se perdiera.

"El modelo de impurezas individuales en un gas ultracool realiza un paradigma de la física cuántica", dice el profesor Widera. "Puede servir como punto de partida para una variedad de otros experimentos cuánticos". En particular, los hallazgos de los científicos de Kaiserslautern ayudan a comprender mejor qué sucede a nivel cuántico. Esto podría, por ejemplo, jugar un papel en el futuro para entender superconductores y desarrollar nuevos materiales. Los superconductores podrían transportar electricidad sin pérdidas de energía en grandes distancias a temperaturas normales. Hasta ahora, esto solo es posible a temperaturas mucho por debajo del punto de congelación.

El estudio fue publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters: "Dinámica de espín cuántico de impurezas neutrales individuales acopladas a un condensado de Bose-Einstein". Felix Schmidt, Daniel Mayer, Quentin Bouton, Daniel Adam, Tobias Lausch, Nicolas Spethmann y Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera y su doctorando Felix Schmidt investigan sistemas cuánticos. Los físicos también colaboran interdisciplinariamente en el Centro de Investigación en Óptica y Ciencias de Materiales (OPTIMAS), junto con grupos de trabajo de química, ingeniería mecánica y tecnología de procesos, así como ingeniería eléctrica e ingeniería de la información, para transferir los fundamentos a aplicaciones.