Resulta que lo que sube no tiene por qué volver a bajar.
Los físicos han logrado un fenómeno conocido como subradiancia, en el que átomos permanecen en un estado excitado, en una densa nube de átomos por primera vez.
Aprovechar la subradiancia podría permitir a los científicos crear redes cuánticas fiables y de larga duración a partir de nubes de átomos, informaron los físicos en un nuevo estudio.
Los átomos obtienen energía al absorber fotones (partículas de luz) que hacen que sus electrones salten del estado «base» de menor energía a estados excitados de mayor energía. Una vez que están en un estado excitado, los átomos emiten espontáneamente un fotón y vuelven al estado fundamental. Pero este no es siempre el caso. Si muchos átomos están empaquetados y separados por una distancia más corta que la longitud de onda del fotón emitido, la luz que emiten se cancelará y los átomos permanecerán en su estado excitado.
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Este proceso, llamado subradiancia, evita eficazmente la desintegración de un gran grupo o «conjunto» de átomos excitados. La subradiancia se ha observado antes en conjuntos atómicos diluidos y matrices atómicas ordenadas, pero nunca antes en nubes atómicas densas.
La subradiancia funciona debido a un fenómeno llamado interferencia destructiva. Cuando se hace que dos ondas de luz con la misma amplitud ocupen la misma parte del espacio, los picos y los valles de las ondas se pueden alinear para sumarse de manera constructiva, creando una onda combinada que es dos veces más brillante, o destructiva, cancelando ambas. olas por completo.
Pero, ¿cómo puede la cancelación de la luz que emite una nube de átomos mantener esos átomos en estado excitado? La clave para comprender esta idea, según los investigadores, es observar la subradiancia mecánica cuántica – las extrañas reglas probabilísticas que gobiernan el reino subatómico.
En la pequeña escala del extraño mundo cuántico, las partículas tienen propiedades ondulantes y pueden viajar simultáneamente por todos los caminos infinitos entre un punto y otro. El camino que la partícula «elige» tomar, y el que observamos, depende de cómo las partículas en forma de onda interfieren con ellas mismas. En realidad, no es la interferencia destructiva entre los fotones emitidos lo que atrapa a los átomos en estados excitados, sino, y aquí está la parte loca, la posibilidad de que suceda, lo que evita que los fotones se emitan en primer lugar.
«Para comprender cuál es la probabilidad de un evento físico, es necesario sumar todos los caminos que conducen a ese evento», dijo el coautor Loïc Henriet, ingeniero de software cuántico de la empresa francesa de procesadores cuánticos Pasqal, a WordsSideKick.com en un correo electrónico. «En algunos casos, los caminos interfieren de manera constructiva y mejoran el fenómeno, mientras que en otros casos, hay efectos de interferencia destructivos que suprimen la probabilidad. La interferencia destructiva de los fotones que habrían sido emitidos por átomos individuales evita la desintegración de un estado excitado colectivamente compartido en el conjunto atómico «.
Para inducir subradiancia en un gas denso por primera vez, el equipo confinó una nube desordenada de frío rubidio átomos dentro de una trampa de pinzas ópticas. Esta técnica, por la que los científicos ganaron el premio Nobel de Física en 2018, utiliza un rayo de luz láser altamente concentrado para mantener pequeñas partículas en su lugar. Luego, una segunda ráfaga de luz láser excitó los átomos de rubidio.
Muchos de los átomos excitados se desintegraron rápidamente a través de un proceso llamado superradiancia, que está relacionado con la subradiancia, pero en cambio tiene átomos que combinan la luz emitida de manera constructiva en un destello súper intenso. Pero algunos átomos permanecieron en un estado subradiante u «oscuro», incapaces de emitir luz que interferiría destructivamente. Con el paso del tiempo, algunos átomos en estados superradiantes también se volvieron subradiantes, haciendo que la nube de átomos se volviera cada vez más subradiante.
«Simplemente esperábamos a que el sistema se descompusiera en estados oscuros por sí mismo», dijo Henriet. «La dinámica de desintegración es bastante compleja, pero sabemos que las interacciones de alguna manera llevan al sistema a poblar estados subradiantes durante más tiempo».
Una vez que encontraron una forma de hacer una nube subradiante, los investigadores sacaron a los átomos de sus estados oscuros ajustando las pinzas ópticas, lo que permitió que los átomos emitieran luz sin interferencias destructivas. Esto resultó en un estallido de luz de la nube.
El equipo también hizo múltiples nubes de varias formas y tamaños para estudiar sus propiedades. Solo el número de átomos en una nube excitada afectó su vida: cuantos más átomos había, más tardaron en decaer de nuevo a sus estados fundamentales.
«Los efectos de interferencia son efectos colectivos; para que suceda, se necesitan varios emisores», dijo Henriet. «Y se vuelve más pronunciado cuando aumenta el número de emisores. Con solo dos átomos, sería posible tener algún tipo de subradiancia, pero sería un efecto físico muy pequeño. Al aumentar el número de átomos, se puede suprimir emisión de fotones de forma más eficaz «.
Ahora que los investigadores pueden crear y controlar nubes de átomos subradiantes, planean estudiar técnicas, como organizar sus nubes en patrones geométricos regulares, que, al permitirles ajustar con precisión la cantidad de interferencia que desean, les dará aún más control sobre la vida de los átomos excitados.
Los investigadores creen que su descubrimiento ayudará en el desarrollo de muchas tecnologías nuevas, como nuevas computadoras cuánticas y sensores de predicción meteorológica más precisos.
Los investigadores publicaron sus hallazgos el 10 de mayo en la revista Physical Review X.
Publicado originalmente en Live Science.