Muchas de las preguntas más importantes en física pueden responderse con la ayuda de las teorías de campo cuántico: son necesarias para describir la dinámica de muchas partículas que interactúan y, por lo tanto, son tan importantes en la física del estado sólido como en la cosmología., es extremadamente complicado desarrollar un modelo teórico de campo cuántico para un problema específico, especialmente si el sistema en cuestión consta de muchas partículas que interactúan.
Ahora, un equipo de TU Wien y la Universidad de Heidelberg ha desarrollado métodos con los que estos modelos pueden obtenerse directamente a partir de mediciones experimentales. En lugar de comparar los resultados experimentales con las predicciones teóricas del modelo, es, en cierto sentido, posiblemedir la teoría en sí. Esto debería arrojar nueva luz sobre el complicado campo de la física cuántica de muchos cuerpos.
Simuladores cuánticos
En los últimos años, un nuevo método para estudiar sistemas físicos cuánticos ha cobrado importancia: los llamados "simuladores cuánticos". "Simplemente no tenemos una descripción satisfactoria de algunos sistemas cuánticos, por ejemplo, superconductores de alta temperatura. Otroslos sistemas simplemente no se pueden observar directamente, como el universo temprano, poco después del Big Bang. Supongamos que todavía queremos aprender algo sobre tales sistemas cuánticos, entonces simplemente elegimos otro sistema que puede controlarse fácilmente en el laboratorio y ajustarloque se comporta de manera similar al sistema en el que estamos realmente interesados. Por ejemplo, podemos usar experimentos en átomos ultrafríos para aprender sobre sistemas que de otro modo no podríamos estudiar en absoluto ", explica Jörg Schmiedmayer del Centro de Vienade Ciencia y Tecnología Cuántica VCQ en TU Wien. Esto es posible porque existen similitudes fundamentales entre diferentes descripciones físicas cuánticas de diferentes sistemas.
Pero no importa qué sistema cuántico se estudie, los científicos siempre encuentran un problema fundamental: "Si hay demasiadas partículas involucradas, las fórmulas de la teoría cuántica se vuelven tan complicadas que no se pueden resolver, ni siquiera con las mejores supercomputadoras enel mundo ", explica Sebastian Erne." Es una pena, porque los sistemas que consisten en muchas partículas son particularmente interesantes. En la vida cotidiana, siempre es el caso de que muchas partículas juegan un papel al mismo tiempo ".
Deshacerse de los detalles
En general, no es posible resolver la teoría cuántica exacta para un sistema de muchas partículas, en el que se considera cada partícula individual. Uno tiene que encontrar una descripción cuántica simplificada que contenga todas las propiedades esenciales, pero ya no se basaen detalles sobre las partículas individuales. "Esto es similar a describir un gas", explica Jörg Schmiedmayer. "No estamos interesados en cada átomo, sino en variables más generales como la presión y la temperatura".
¿Pero cómo se llega a tales teorías para los sistemas de muchos cuerpos? Derivarlas puramente matemáticamente de las leyes de la naturaleza que se aplican a las partículas individuales es extremadamente complicado. Pero ahora resulta que esto no es necesario ". Hemos encontradoun método para leer la descripción teórica del campo cuántico directamente del experimento ", dice Schmiedmayer." En cierto sentido, la naturaleza proporciona las fórmulas, con las que debe describirse, por sí misma ".
Sabemos que toda teoría cuántica debe obedecer ciertas reglas formales; hablamos, por ejemplo, de correlaciones, propagadores, vértices, diagramas de Feynman, los componentes básicos de cada modelo físico cuántico. El equipo de investigación de TU Wien y la Universidadde Heidelberg ha encontrado una manera de hacer que estos bloques de construcción básicos individuales sean accesibles experimentalmente. Las mediciones experimentales dan como resultado una teoría cuántica obtenida empíricamente para un sistema de muchos cuerpos, sin tener que trabajar con papel y lápiz.
"Durante años, hemos sospechado que esto es teóricamente posible, pero no todos nos creyeron que realmente funciona", dice Jörg Schmiedmayer. "Ahora hemos demostrado que teníamos razón, al observar un caso especial donde la teoríatambién se puede encontrar y en ciertos límites resolver matemáticamente. Nuestros resultados de medición proporcionan exactamente los mismos componentes básicos de la teoría ".
Nubes atómicas ultrafrías
El experimento se realizó con nubes de miles de átomos ultrafríos que están atrapados en una trampa magnética en un chip atómico ". A partir de los patrones de onda cuántica de estas nubes atómicas, podemos determinar las funciones de correlación a partir de las cuales los bloques de construcción básicos dese puede derivar una teoría apropiada ", explica Schmiedmayer.
El equipo espera que esto simplifique significativamente el estudio de los sistemas cuánticos de muchas partículas. Quizás pueda arrojar algo de luz sobre algunas de las grandes preguntas en física.
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Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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