Según cuenta la historia, el matemático y técnico griego Arquímedes se encontró con un invento mientras viajaba por el antiguo Egipto que más tarde llevaría su nombre. Era una máquina que consistía en un tornillo alojado dentro de un tubo hueco que atrapaba y extraía agua al girar.Ahora, investigadores dirigidos por el físico de la Universidad de Stanford, Benjamin Lev, han desarrollado una versión cuántica del tornillo de Arquímedes que, en lugar de agua, transporta frágiles colecciones de átomos de gas a estados de energía cada vez más altos sin colapsar. Su descubrimiento se detalla en un artículo publicado en enero.14 pulgadas ciencia .
"Mi expectativa para nuestro sistema era que la estabilidad del gas solo cambiaría un poco", dijo Lev, quien es profesor asociado de física aplicada y de física en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford. "No lo hiceEspero ver una estabilización dramática y completa. Eso estaba más allá de mi más loca concepción ".
A lo largo del camino, los investigadores también observaron el desarrollo de estados de cicatrices: trayectorias extremadamente raras de partículas en un sistema cuántico por lo demás caótico en el que las partículas repiten repetidamente sus pasos como pistas superpuestas en el bosque. Los estados de cicatrices son de particular interés porquepueden ofrecer un refugio protegido para la información codificada en un sistema cuántico. La existencia de estados de cicatriz dentro de un sistema cuántico con muchas partículas que interactúan, conocido como un sistema cuántico de muchos cuerpos, solo se ha confirmado recientemente. El experimento de Stanford es elprimer ejemplo del estado de la cicatriz en un gas cuántico de muchos cuerpos y solo el segundo avistamiento del fenómeno en el mundo real.
Super y estable
Lev se especializa en experimentos que amplían nuestra comprensión de cómo las diferentes partes de un sistema cuántico de muchos cuerpos se asientan en la misma temperatura o equilibrio térmico. Esta es un área de investigación interesante porque resistir esta llamada "termalización" es clave para crearsistemas cuánticos estables que podrían impulsar nuevas tecnologías, como las computadoras cuánticas.
En este experimento, el equipo exploró lo que sucedería si modificaran un sistema experimental de muchos cuerpos muy inusual, llamado súper gas Tonks-Girardeau. Estos son gases cuánticos unidimensionales altamente excitados: átomos en un estado gaseoso que sonconfinados a una sola línea de movimiento, que han sido sintonizados de tal manera que sus átomos desarrollan fuerzas de atracción extremadamente fuertes entre sí. Lo genial de ellos es que, incluso bajo fuerzas extremas, teóricamente no deberían colapsar en una bola.como la masa como los gases atractivos normales. Sin embargo, en la práctica, colapsan debido a imperfecciones experimentales. Lev, quien tiene una predilección por el elemento fuertemente magnético disprosio, se preguntó qué pasaría si él y sus estudiantes crearan un súper Tonks-Girardeau gas con átomos de disprosio y alteraron sus orientaciones magnéticas `` solo así ''. ¿Quizás resistirían el colapso un poco mejor que los gases no magnéticos?
"Las interacciones magnéticas que pudimos agregar eran muy débiles en comparación con las interacciones atractivas que ya estaban presentes en el gas. Por lo tanto, nuestras expectativas eran que no cambiaría mucho. Pensamos que aún colapsaría, pero no tan fácilmente".dijo Lev, quien también es miembro de Stanford Ginzton Lab y Q-FARM. "Vaya, nos equivocamos".
Su variación de disprosio terminó produciendo un súper gas Tonks-Girardeau que permaneció estable sin importar qué. Los investigadores voltearon el gas atómico entre las condiciones atractivas y repulsivas, elevando o "atornillando" el sistema a estados de energía cada vez más altos, pero ellos átomos todavía no colapsaron.
Edificio desde los cimientos
Si bien no hay aplicaciones prácticas inmediatas de su descubrimiento, el laboratorio de Lev y sus colegas están desarrollando la ciencia necesaria para impulsar esa revolución de la tecnología cuántica que muchos predicen que se avecina. Por ahora, dijo Lev, la física de los sistemas cuánticos de muchos cuerposfuera de equilibrio siguen siendo consistentemente sorprendentes.
"Todavía no hay ningún libro de texto en el estante que pueda sacar para decirle cómo construir su propia fábrica cuántica", dijo. "Si compara la ciencia cuántica con el lugar donde estábamos cuando descubrimos lo que necesitábamos saber para construirplantas químicas, digamos, es como si estuviéramos haciendo el trabajo de finales del siglo XIX en este momento ".
Estos investigadores solo están comenzando a examinar las muchas preguntas que tienen sobre el tornillo cuántico de Arquímedes, incluida la forma de describir matemáticamente estos estados de cicatrices y si el sistema se termaliza, lo que eventualmente debe hacer, cómo lo hace.Más inmediatamente, planean medir el impulso de los átomos en los estados de la cicatriz para comenzar a desarrollar una teoría sólida sobre por qué su sistema se comporta de la manera en que lo hace.
Los resultados de este experimento fueron tan inesperados que Lev dice que no puede predecir con certeza qué nuevo conocimiento vendrá de una inspección más profunda del tornillo cuántico de Arquímedes. Pero eso, señala, es quizás el experimentalismo en su máxima expresión.
"Esta es una de las pocas ocasiones en mi vida en las que he trabajado en un experimento que era verdaderamente experimental y no una demostración de la teoría existente. No sabía cuál sería la respuesta de antemano", dijo Lev."Entonces encontramos algo que era realmente nuevo e inesperado y eso me hace decir, '¡Yay experimentales!'"
Otros autores de Stanford son los estudiantes graduados Wil Kao coautor principal, Kuan-Yu Li coautor principal y Kuan-Yu Lin. Un profesor de CUNY College of Staten Island y CUNY, Nueva York, también es uncoautor. Lev también es miembro de Stanford Bio-X.
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá y la Beca Olimpíada del Ministerio de Educación de Taiwán.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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