Un fenómeno físico exótico, que involucra ondas ópticas, campos magnéticos sintéticos e inversión de tiempo, se ha observado directamente por primera vez, después de décadas de intentos. El nuevo hallazgo podría conducir a la realización de lo que se conoce como fases topológicas, y eventualmentea los avances hacia las computadoras cuánticas tolerantes a fallas, dicen los investigadores.
El nuevo hallazgo involucra el efecto no abeliano Aharonov-Bohm y se informa hoy en la revista ciencia por el estudiante graduado del MIT Yi Yang, el erudito visitante del MIT Chao Peng profesor de la Universidad de Pekín, el estudiante graduado del MIT Di Zhu, el profesor Hrvoje Buljan en la Universidad de Zagreb en Croacia, el profesor de física Francis Wright Davis John Joannopoulos en el MIT, profesorBo Zhen, de la Universidad de Pensilvania, y el profesor de física del MIT, Marin Soljacic.
El hallazgo se relaciona con los campos de indicadores, que describen las transformaciones que sufren las partículas. Los campos de indicadores se dividen en dos clases, conocidas como abelianas y no abelianas. El efecto Aharonov-Bohm, llamado así por los teóricos que lo predijeron en 1959, confirmó ese indicadorlos campos, más allá de ser una pura ayuda matemática, tienen consecuencias físicas.
Pero las observaciones solo funcionaron en sistemas abelianos, o aquellos en los que los campos de medida son conmutativos, es decir, tienen lugar de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. En 1975, Tai-Tsun Wu y Chen-Ning Yang generalizaronel efecto para el régimen no abeliano como un experimento mental. Sin embargo, no estaba claro si sería posible observar el efecto en un sistema no abeliano. Los físicos carecían de formas de crear el efecto en el laboratorio, y tampocoformas de detectar el efecto incluso si pudiera producirse. Ahora, ambos acertijos se han resuelto y las observaciones se han llevado a cabo con éxito.
El efecto tiene que ver con uno de los aspectos extraños y contraintuitivos de la física moderna, el hecho de que prácticamente todos los fenómenos físicos fundamentales son invariables en el tiempo. Eso significa que los detalles de la forma en que las partículas y las fuerzas interactúan pueden correr hacia adelante o hacia atrása tiempo, y una película de cómo se desarrollan los eventos se puede ejecutar en cualquier dirección, por lo que no hay forma de saber cuál es la versión real. Pero algunos fenómenos exóticos violan esta simetría del tiempo.
Crear la versión abeliana de los efectos de Aharonov-Bohm requiere romper la simetría de inversión de tiempo, una tarea desafiante en sí misma, dice Soljacic. Pero para lograr la versión no abeliana del efecto requiere romper esta inversión de tiempo varias veces, yde diferentes maneras, lo que lo convierte en un desafío aún mayor.
Para producir el efecto, los investigadores utilizan la polarización de fotones. Luego, produjeron dos tipos diferentes de ruptura de inversión de tiempo. Utilizaron fibra óptica para producir dos tipos de campos de calibre que afectaron las fases geométricas de las ondas ópticas, primero enviandoa través de un cristal sesgado por potentes campos magnéticos, y en segundo lugar modulándolos con señales eléctricas que varían en el tiempo, los cuales rompen la simetría de inversión de tiempo. Luego pudieron producir patrones de interferencia que revelaron las diferencias en cómo se vio afectada la luzcuando se envía a través del sistema de fibra óptica en direcciones opuestas, en sentido horario o antihorario. Sin la ruptura de la invariancia de inversión de tiempo, los haces deberían haber sido idénticos, pero en cambio, sus patrones de interferencia revelaron conjuntos específicos de diferencias como se predijeron, demostrando los detalles deel efecto evasivo
La versión original abeliana del efecto Aharonov-Bohm "se ha observado con una serie de esfuerzos experimentales, pero el efecto no abeliano no se ha observado hasta ahora", dice Yang. El hallazgo "nos permite hacer muchas cosas", dice, abriendo la puerta a una amplia variedad de experimentos potenciales, incluidos los regímenes físicos clásicos y cuánticos, para explorar las variaciones del efecto.
El enfoque experimental ideado por este equipo "podría inspirar la realización de fases topológicas exóticas en simulaciones cuánticas utilizando fotones, polaritones, gases cuánticos y qubits superconductores", dice Soljacic. Para la fotónica en sí, esto podría ser útil en una variedad de optoelectrónicosaplicaciones, dice. Además, los campos de indicadores no abelianos que el grupo pudo sintetizar produjeron una fase de bayas no abelianas y, "combinados con interacciones, algún día podrían servir como una plataforma para la cuántica topológica tolerante a fallascálculo ", dice.
En este punto, el experimento es principalmente de interés para la investigación física fundamental, con el objetivo de obtener una mejor comprensión de algunos fundamentos básicos de la teoría física moderna. Las muchas aplicaciones prácticas posibles "requerirán avances adicionales en el futuro", dice Soljacic.
Por un lado, para el cálculo cuántico, el experimento debería ampliarse desde un solo dispositivo a una red de ellos. Y en lugar de los rayos de luz láser utilizados en su experimento, requeriría trabajar con una fuentede fotones individuales individuales. Pero incluso en su forma actual, el sistema podría usarse para explorar preguntas en física topológica, que es un área muy activa de la investigación actual, dice Soljacic.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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