Los científicos observan una sola vibración cuántica en condiciones normales



Cuando se pellizca una cuerda de guitarra, vibra como cualquier objeto vibrante, subiendo y bajando como una onda, como lo predicen las leyes de la física clásica. Pero de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, que describen el funcionamiento de la física a escala atómica, las vibraciones deben comportarse no solo como ondas, sino también como partículas. La misma cuerda de guitarra, cuando se observa a nivel cuántico, debe vibrar como unidades de energía individuales llamadas fonones.

Los científicos del MIT y el Instituto Federal Suizo de Tecnología crearon y observaron por primera vez un solo fonón en un material común a temperatura ambiente.

Hasta ahora, los fonones aislados se observaban solo a temperaturas extremadamente frías y en materiales microscópicos diseñados con precisión, que los investigadores deben explorar al vacío. Por el contrario, el equipo creó y observó fonones aislados en un diamante sentado al aire libre a temperatura ambiente. Los resultados, escriben los investigadores en un artículo publicado hoy en Examen físico X, "Acerca el comportamiento cuántico a nuestra vida diaria".

"Hay una dicotomía entre nuestra experiencia diaria de lo que es una vibración, una onda, y lo que la mecánica cuántica nos dice que debe ser, una partícula", dice Vivishek Sudhir, un investigador postdoctoral. 39; Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial en el MIT. "Nuestra experiencia, debido a que se lleva a cabo en condiciones muy concretas, rompe esta tensión entre nuestra experiencia cotidiana y lo que la física nos dice que debe ser el caso".

La técnica desarrollada por el equipo ahora se puede utilizar para sondear otros materiales comunes en busca de vibraciones cuánticas. Esto podría ayudar a los investigadores a caracterizar los procesos atómicos en las células solares e identificar por qué algunos materiales son superconductores a altas temperaturas. Desde el punto de vista de la ingeniería, la técnica del equipo se puede utilizar para identificar materiales comunes que contienen fonones que pueden formar interconexiones o líneas de transmisión ideales entre las computadoras cuánticas del futuro.

"Lo que nuestro trabajo significa es que ahora tenemos acceso a una gama mucho más amplia de sistemas", dice Sudhir, uno de los principales autores del artículo.

Los coautores de Sudhir son Santiago Tarrago Velez, Kilian Seibold, Nils Kipfer, Mitchell Anderson y Christophe Galland del Instituto Federal Suizo de Tecnología.

"Democratizar la mecánica cuántica"

Los fonones, las partículas individuales de vibración descritas por la mecánica cuántica, también están asociadas con el calor. Por ejemplo, cuando un cristal, formado por matrices ordenadas de átomos interconectados, se calienta en un extremo, la mecánica cuántica predice que el calor pasa a través del cristal en forma de fonones o vibraciones individuales de los enlaces entre las moléculas.

Los fonones simples han sido extremadamente difíciles de detectar, principalmente debido a su sensibilidad al calor. Los fonones son sensibles a cualquier energía térmica superior a la suya. Si los fonones son inherentemente bajos en energía, la exposición a energías térmicas más altas podría desencadenar una excitación masiva de los fonones de un material, lo que haría que la detección de un solo fotón sea la aguja de un pajar.

Los primeros esfuerzos para observar fonones individuales se han realizado con materiales especialmente diseñados para albergar muy pocos fonones, a energías relativamente altas. Luego, estos investigadores sumergieron los materiales en refrigeradores con cero absoluto, que Sudhir describió como "extremadamente frío, agresivamente frío", para garantizar que la energía térmica circundante fuera menor que la energía de los fonones contenidos en el material.

"Si ese es el caso, la vibración (fonón) no puede tomar prestada energía del ambiente térmico para excitar más de un fonón", dice Sudhir.

Luego, los investigadores proyectaron un pulso de fotones (partículas de luz) en el material, con la esperanza de que un fotón interactuaría con un solo fonón. Cuando esto sucede, el fotón, en un proceso conocido como dispersión Raman, debe reflejar una energía diferente que le es comunicada por el fonón que interactúa. De esta manera, los investigadores pudieron detectar fonones únicos, incluso a temperaturas extremadamente frías, y en materiales cuidadosamente elaborados.

"Lo que hemos hecho aquí es hacer la siguiente pregunta: ¿cómo deshacerse de ese entorno complicado que ha creado alrededor de este objeto y traer ese efecto cuántico a nuestro entorno, para verlo en materiales más comunes", dice Sudhir . "Es un poco como democratizar la mecánica cuántica".

Uno en un millon

Para el nuevo estudio, el equipo recurrió al diamante como sujeto de prueba. En los diamantes, los fonones funcionan naturalmente a altas frecuencias, decenas de terahercios, tan altos que a temperatura ambiente, la energía de un fonón es mayor que la energía térmica circundante.

"Cuando este cristal de diamante descansa a temperatura ambiente, el movimiento del fonón ni siquiera existe porque no hay energía a temperatura ambiente para excitar nada", dice Sudhir.

Dentro de esta mezcla silenciosa de fonones, los investigadores buscaron excitar un solo fonón. Enviaron pulsos de láser de alta frecuencia, cada uno compuesto por 100 millones de fotones, al diamante, un cristal de átomos de carbono, al azar cuando uno de ellos interactúa y se refleja a sí mismo. en un fonón Luego, el equipo mediría la frecuencia reducida del fotón involucrado en la colisión, confirmando que efectivamente había tocado un fonón, aunque esta operación no pudo determinar si uno o más fonones se excitaron durante el proceso.

Para descifrar el número de fonones excitados, los investigadores enviaron un segundo pulso láser al diamante, a medida que la energía del fonón se desintegraba. Para cada fonón excitado por el primer impulso, este segundo impulso puede desenergizarlo, eliminando esa energía en forma de un nuevo fotón de energía superior. Si solo un fonón se excitó inicialmente, se debería crear un nuevo fotón de mayor frecuencia.

Para confirmar esto, los investigadores colocaron un vidrio semitransparente a través del cual este nuevo fotón de mayor frecuencia saldría del diamante, así como dos detectores a cada lado del vidrio. Los fotones no se dividen. Por lo tanto, si varios fonones se excitan y luego se desexcitan, los fotones resultantes deben pasar a través del vidrio y dispersarse aleatoriamente en ambos detectores. Si un solo detector "hace clic", lo que indica la detección de un solo fotón, el equipo puede estar seguro de que este fotón ha interactuado con un solo fonón.

"Es un truco que jugamos para asegurarnos de observar un solo fonón", dice Sudhir.

La probabilidad de que un fotón interactúe con un fonón es de aproximadamente uno de cada diez mil millones. En sus experimentos, los investigadores proyectaron el diamante a 80 millones de pulsos por segundo, lo que Sudhir describe como un "tren de millones de millones de fotones" durante varias horas, para detectar alrededor de 1 millón de ellos. interacciones fotón-fonón. Al final, descubrieron, con significación estadística, que podían crear y detectar un solo cuántico de vibración.

"Es una especie de reclamo ambicioso, y tenemos que tener cuidado de que la ciencia se realice rigurosamente, sin ninguna posibilidad de duda razonable", dice Sudhir.

Al enviar su segundo pulso láser para verificar que se estaban creando fonones únicos, los investigadores aplazaron este impulso, enviando el diamante mientras el fonón excitado comenzó a perder su energía. De esta manera, pudieron entender cómo se descompuso el fonón.

"Entonces, no solo podemos investigar el nacimiento de un solo fonón, sino que también podemos investigar su muerte", dice Sudhir. "Ahora, podemos decir, use esta técnica para estudiar el tiempo que le toma a un fonón desaparecer en el material de su elección. Este número es muy útil. Si el tiempo de morir es muy largo, entonces este material puede soportar fonones coherentes. Si este es el caso, puede realizar tareas interesantes, como el transporte térmico en células solares y las interconexiones entre computadoras cuánticas. "

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