En el mundo de la física cuántica, los avances suelen ocurrir de manera gradual, pero de vez en cuando, nos sorprendemos con descubrimientos que cambian por completo nuestra comprensión de la naturaleza. Un reciente estudio liderado por el profesor Dominik Schneble de la Universidad de Stony Brook ha logrado un hito significativo al abordar un problema planteado por el físico Robert H. Dicke en 1954. Este estudio ha revelado nuevos secretos sobre la dinámica cuántica al explorar la «conversación atómica» entre átomos en un entorno ultrafrío.
Átomos ultrafríos y nuevas formas de radiación espontánea
La emisión espontánea en átomos, un proceso en el cual un átomo excitado libera energía en forma de radiación al caer a un estado de menor energía, ha sido objeto de estudio durante décadas. Dicke teorizó que los átomos pueden interactuar colectivamente durante este proceso, dando lugar a fenómenos como la superradiancia y la subradiancia. Sin embargo, ciertos aspectos de esta teoría no habían sido observados experimentalmente hasta ahora.
El equipo de Schneble utilizó átomos ultrafríos dispuestos en una red óptica unidimensional para crear un sistema de emisores sintéticos. Estos átomos emitían ondas de materia, mucho más lentas que los fotones en sistemas convencionales, lo que permitió a los investigadores observar efectos cooperativos en escalas de tiempo y espacio antes inalcanzables. La dinámica colectiva entre los emisores vecinos se formaba solo después de que lograban comunicarse entre sí, revelando nuevos aspectos de la teoría de Dicke.
La conversación entre los electrones
Aunque los átomos no pueden literalmente «hablar», el intercambio de energía y radiación entre ellos puede entenderse como una forma de comunicación cuántica. En este experimento, las ondas de materia permitieron ralentizar esta «conversación» atómica, lo que proporcionó una nueva perspectiva sobre cómo los átomos colaboran en su emisión colectiva. Este fenómeno, que ocurre de forma casi instantánea en sistemas convencionales, ahora puede analizarse en detalle, revelando nuevos secretos de la interacción cuántica colectiva.
¿Es tan importante este descubrimiento?
Uno de los logros más destacados de esta investigación es la capacidad de manipular estados subradiantes con un nivel de control sin precedentes. Estos estados, que «esconden» la radiación dentro del sistema en lugar de liberarla, podrían tener aplicaciones revolucionarias en tecnologías emergentes como las redes cuánticas de larga distancia. Además, el estudio abordó el aspecto teórico del problema, proporcionando una solución matemática exacta para describir cómo dos emisores completamente excitados interactúan con su entorno cuántico.
Más allá de la luz: ondas de materia y su impacto en la física cuántica
La elección de usar átomos ultrafríos y ondas de materia en lugar de luz no fue casual. Las ondas de materia se comportan de manera similar a los fotones, pero con la ventaja de moverse mucho más lentamente. Esto permitió a los investigadores observar cómo los átomos «negociaban» su emisión colectiva, algo que ocurre de forma casi instantánea con los fotones. Además, el uso de ondas de materia introdujo nuevas complejidades, como la reabsorción y el rebote de excitaciones entre los átomos, desafiando a los investigadores a modelar matemáticamente este comportamiento.
Las aplicaciones de la precisión
La capacidad de controlar la superradiancia y la subradiancia tiene implicaciones que van más allá de la física fundamental. En campos como la computación cuántica y la metrología cuántica, donde la minimización de las pérdidas de información es crucial, este estudio podría conducir a métodos más efectivos para almacenar y transferir información cuántica de manera segura y eficiente. Asimismo, la investigación sienta las bases para explorar redes cuánticas más grandes y complejas, lo que promete avances significativos en el campo de la óptica cuántica en sistemas extendidos y ordenados.
Referencias
- Kim, Y., Lanuza, A., & Schneble, D. (2024). Super- and subradiant dynamics of quantum emitters mediated by atomic matter waves. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-024-02676-w.
- Lanuza, A., & Schneble, D. (2024). Exact solution for the collective non-Markovian decay of two fully excited quantum emitters. Physical Review Research. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.033196.