Un láser para la energía vibratoria, en lugar de la luz, que opera en el régimen cuántico podría enseñar a los investigadores sobre la interacción entre el espín, la vibración y la disipación en la mecánica cuántica
(Physics)- Los láseres de fonones reemplazan las excitaciones de luz (fotones) que se utilizan en un láser estándar con excitaciones vibratorias de materia (fonones). Ahora, los investigadores han persuadido a dos iones para que formen un láser de fonones que contiene menos de 10 fonones, colocándolo firmemente en el régimen cuántico [ 1 ], mientras que los láseres de fonones anteriores tenían al menos 10 000 fonones. Los investigadores planean utilizar este láser de fonones cuánticos como herramienta para investigar el papel de la disipación en el comportamiento de los sistemas cuánticos.
La disipación (energía que se filtra dentro o fuera de un sistema en forma de calor) a menudo se considera una molestia en física, por ejemplo, cuando toma la forma de resistencia del aire y reduce la eficiencia de combustible de un automóvil o un avión. Pero los sistemas cuánticos también exhiben disipación, y sus efectos en el reino cuántico no se comprenden completamente. Jonathan Home del Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) en Zúrich y sus colegas querían investigar cómo dos fuentes separadas de disipación pueden interactuar para afectar el comportamiento de un sistema cuántico. “Un láser es el sistema cuántico más simple que se nos ocurrió” que permite tales experimentos, dice Home.
El equipo se centró en la amplificación dentro de un láser. En un láser convencional, esta amplificación se produce en un medio sólido o gaseoso al que se le suministra energía, que se convierte en un gran número de fotones. En la llamada fase láser, las oscilaciones de estos fotones están sincronizadas o son coherentes, lo cual es una característica distintiva de un láser. Esta conversión de energía de una fuente clásica en fotones coherentes se considera un tipo de disipación según la definición más amplia que se aplica a los sistemas cuánticos. Entonces, un láser tiene dos canales de disipación que juegan papeles competitivos: el proceso por el cual se bombea energía y el proceso por el cual se filtran los fotones. Cuando la amplificación es lo suficientemente fuerte como para superar la fuga, el sistema emite un láser y el número de fotones crece hasta que alcanza una meseta.
Home y su equipo utilizaron el movimiento vibratorio compartido de dos átomos ionizados, uno de calcio y otro de berilio, para crear su láser de fonones. Los átomos podrían oscilar en su trampa de campo eléctrico como dos péndulos acoplados que se balancean de un lado a otro. Empleando técnicas estándar, los investigadores utilizaron luz láser para aumentar y disminuir la amplitud de oscilación del sistema de dos iones, lo que en términos cuánticos significa sumar o restar fonones. Se sintonizó un par de haces para agregar fonones al ion de berilio, mientras que otro par se sintonizó para quitar fonones a través del ion de calcio.
Los dos pares de láseres permitieron a Home y sus colegas controlar cada canal de disipación de forma independiente. Determinaron el número y el carácter de los fonones presentes al monitorear la fluorescencia de los átomos en respuesta a la iluminación láser. A medida que el equipo varió las intensidades relativas de los dos canales de disipación, el sistema experimentó una transición de una fase en la que hubo fugas de fonones a una fase de emisión de láser en la que la cantidad de fonones no disminuyó. En esta fase, el equipo pudo ver el estado coherente de los fonones, lo que ayudó a demostrar que habían creado un verdadero láser de fonones.
Los resultados proporcionan la primera verificación experimental de las predicciones para un láser de fonones cuánticos, y los investigadores dicen que han demostrado herramientas que les ayudarán a explorar sistemas disipativos más exóticos. Por ejemplo, Home planea diseñar un sistema similar que generaría el llamado estado cuántico de láser comprimido que podría ser útil para la detección o la computación cuántica.
Diego Porras, físico cuántico teórico del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España, califica el experimento de «fantástico» y agrega que representa el primer ejemplo de un sistema cuántico con dos canales de disipación donde se demostró un grado de control tan alto. Tracy Northup, física cuántica experimental de la Universidad de Innsbruck en Austria, dice que si bien un láser de fonones puede parecer un sistema muy específico, comprender la interacción entre los iones, su movimiento y la disipación es ampliamente aplicable a muchos sistemas cuánticos. Ella también ve otro beneficio de los resultados. «Espero que este [trabajo] le recuerde a la gente que los iones son geniales, no solo para construir computadoras cuánticas, sino también para este control realmente hermoso necesario para ver la física subyacente divertida».
–Katie McCormick
Referencias
- Behrle et al. , «Láser de fonones en el régimen cuántico», Phys. Rev. Lett. 131 , 043605 (2023) .
