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| Vista de la cavidad dentro de una cámara de vacío, donde se ven los dos espejos ultrarreflectantes en la parte superior e inferior. Crédito: Lev Lab |
Tras una década de ingeniería y pruebas, Lev y sus colaboradores de la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de St. Andrews han producido la primera red óptica de átomos que incorpora el sonido. La investigación se publicó el 11 de noviembre en Nature. Mediante el diseño de una cavidad muy precisa que sujetaba la red entre dos espejos muy reflectantes, los investigadores consiguieron que los átomos pudieran "verse" repetidos miles de veces a través de partículas de luz, o fotones, que rebotan entre los espejos. Esta retroalimentación hace que los fotones se comporten como fonones, los componentes básicos del sonido.
"Si se pudiera acercar el oído a la red óptica de los átomos, se oiría su vibración en torno a 1 kHz", afirma Lev.
Un supersólido con sonido
Los experimentos anteriores con celosías ópticas eran silenciosos porque carecían de la elasticidad especial de este nuevo sistema. Lev, el joven estudiante de posgrado Sarang Gopalakrishnan -actualmente profesor adjunto de física en Penn State y coautor del artículo- y Paul Goldbart (actual rector de la Universidad de Stony Brook) idearon la teoría fundamental de este sistema. Pero fue necesaria la colaboración de Jonathan Keeling -lector de la Universidad de St. Andrews y coautor del artículo- y años de trabajo para construir el dispositivo correspondiente.
Para crear este dispositivo, los investigadores llenaron una cavidad de espejo vacía con un gas cuántico ultrafrío de rubidio. Se trata de un superfluido, una fase de la materia en la que los átomos pueden fluir en remolinos sin resistencia. Cuando se expone a la luz, el superfluido de rubidio se transforma espontáneamente en un supersólido, una fase rara de la materia que muestra simultáneamente el orden de los cristales y la extraordinaria fluidez de los superfluidos.
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| Ilustración de un sistema que produce la primera red óptica con sonido. La luz se bombea a través de tres fuentes -entre ellas un dispositivo de espejo digital (DMD)- y produce un supersólido de átomos (en naranja) que puede vibrar. Crédito: Lev Lab |
Lo que llevó el sonido a la cavidad fueron dos espejos cóncavos cuidadosamente espaciados que son tan reflectantes que hay una fracción del 1 por ciento de posibilidades de que un solo fotón los atraviese. Esa reflectividad y la geometría específica del montaje -el radio de los espejos curvos es igual a la distancia entre ellos- hace que los fotones bombeados a la cavidad pasen por los átomos más de 10.000 veces. Al hacerlo, los fotones forman un vínculo especial con los átomos, forzándolos a organizarse como una red.
Esta cavidad especial permitió que el entramado de átomos superfluidos (el supersólido) se moviera de manera que, a diferencia de otros entramados ópticos, es libre de distorsionarse cuando se le pincha, y eso crea ondas sonoras. Para iniciar este lanzamiento de fonones a través de la red flexible, los investigadores la pincharon con un instrumento llamado modulador espacial de luz, que les permite programar diferentes patrones en la luz que inyectan en la cavidad.
Los investigadores evaluaron cómo afectaba esto al contenido de la cavidad capturando un holograma de la luz que salía.
El estudiante de posgrado y autor principal, Yudan Guo, que recibió una beca Q-FARM para apoyar este trabajo, dirigió el esfuerzo para confirmar la presencia de fonones en el dispositivo, lo que se hizo enviando diferentes patrones de luz, midiendo lo que salía y comparándolo con una curva de dispersión de Goldstone. Esta curva muestra cómo se espera que la energía, incluido el sonido, se mueva a través de los cristales; el hecho de que sus resultados coincidieran con ella confirmó tanto la existencia de fonones como el estado supersólido vibrante.
Lev espera que su laboratorio -y quizá otros- lleven este invento en muchas direcciones, como el estudio de la física de los superconductores exóticos y la creación de redes neuronales cuánticas, por lo que el equipo ya está trabajando para crear una segunda versión de su dispositivo.
"Si se abre un libro de texto canónico de física del estado sólido, se ve que una gran parte tiene que ver con los fonones", explica Lev. "Y, hasta ahora, no podíamos estudiar nada de eso con simuladores cuánticos que emplearan átomos y fotones porque no podíamos emular esta forma básica de sonido".
Los estudiantes de posgrado de Stanford Ronen Kroeze y Brendan Marsh también son coautores de esta investigación.
Fuentes, créditos y referencias:
Benjamin Lev, An optical lattice with sound, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03945-x