QUIONE abre el reino cuántico con una microscopía pionera de estroncio

El microscopio QUIONE explota el estroncio para obtener imágenes de alta resolución y simulaciones cuánticas, lo que confirma su potencial en la investigación cuántica avanzada. (Concepto del artista). Crédito: SciTechDaily.com

QUIONE, un microscopio cuántico de gases único desarrollado por investigadores del ICFO en España, utiliza estroncio para simular sistemas cuánticos complejos y explorar materiales a nivel atómico. Su objetivo es resolver problemas que van más allá de las capacidades computacionales actuales y ya ha demostrado fenómenos como la superfluidez.

La física cuántica requiere técnicas de detección de alta precisión para profundizar en las propiedades microscópicas de los materiales. De los procesadores cuánticos analógicos que han surgido recientemente, los llamados microscopios cuánticos de gases han demostrado ser una poderosa herramienta para comprender los sistemas cuánticos a nivel atómico. Estos dispositivos producen imágenes de gases cuánticos con una resolución muy alta: permiten detectar átomos individuales.

Desarrollo de QUIONE

Ahora, los investigadores del ICFO (Barcelona, ​​España) Sandra Buob, Jonatan Höschele, el Dr. Vasiliy Makhalov y el Dr. Antonio Rubio-Abadal, dirigidos por la profesora ICREA del ICFO Leticia Tarruell, explican cómo construyeron el microscopio de su propio microscopio cuántico. gas, llamado QUIONE en honor a la diosa griega del hielo. El microscopio cuántico de gases del grupo es el único que capta los átomos individuales de los gases cuánticos de estroncio en el mundo, así como el primero de este tipo en España.

Más allá de las imágenes de impacto en las que se pueden distinguir los átomos individuales, el objetivo de QUIONE es la simulación cuántica. Como explica el Prof. ICREA. Leticia Tarruell: «La simulación cuántica se puede utilizar para convertir sistemas muy complicados en modelos más simples para luego comprender preguntas abiertas que las computadoras actuales no pueden responder, como por qué algunos materiales conducen electricidad sin ninguna pérdida incluso a temperaturas relativamente altas. «

Imagen de la celda de vidrio con la nube de gas de estroncio en el medio Crédito: ICFO

La investigación del grupo del ICFO en este campo recibió apoyo a nivel nacional (premio de la Real Sociedad Española de Física, y proyectos y ayudas de la Fundación BBVA, Fundación Ramón Areces, Fundación La Caixa y Fundación Cellex) y europeo. (incluido un proyecto del CEI). Además, QUIONE está cofinanciado por la Generalitat de Cataluña, a través de la Secretaría de Políticas Digitales del Departamento de Empresa y Trabajo, como parte del compromiso de la Generalitat de Cataluña con el impulso de las tecnologías cuánticas.

La singularidad de este experimento radica en el hecho de que lograron llevar el gas de estroncio al régimen cuántico, colocarlo en una red óptica donde los átomos pueden interactuar mediante colisiones y luego aplicar un efecto único. un átomo técnicas de imagen. Estos tres ingredientes juntos hacen que el microscopio cuántico de gas de estroncio del ICFO sea único en su tipo.

Mapa de la ubicación del laboratorio y del simulador cuántico. Crédito: ICFO

¿Por qué estroncio?

Hasta ahora, estas configuraciones de microscopios se han basado en átomos alcalinos, como el litio y el potasio, que tienen propiedades más simples en términos de su espectro óptico en comparación con los átomos alcalinotérreos como el estroncio. Esto significa que el estroncio ofrece más ingredientes con los que jugar en estos experimentos.

De hecho, en los últimos años, las propiedades únicas del estroncio lo han convertido en un elemento muy popular para aplicaciones en los campos de computación cuántica y simulación cuántica. Por ejemplo, una nube de átomos de estroncio se puede utilizar como procesador cuántico atómico, que puede resolver problemas que van más allá de las capacidades de las computadoras clásicas actuales.

En definitiva, los investigadores del ICFO vieron un gran potencial para la simulación cuántica en el estroncio y comenzaron a trabajar para construir su propio microscopio cuántico de gases. Así nació QUIONE.

El equipo en el laboratorio. De izquierda a derecha: Sandra Buob, Antonio Rubio-Abadal, Vasiliy Makhalov, Jonatan Höschele y Leticia Tarruell. Crédito: ICFO

QUIONE, un simulador cuántico de cristales reales

Para ello, primero redujeron la temperatura del gas de estroncio. Utilizando la fuerza de varios rayos láser, la velocidad de los átomos puede reducirse hasta un punto en el que permanecen casi estacionarios, sin apenas moverse, y reducen su temperatura a casi cero absoluto en apenas unos milisegundos. Luego, las leyes de la mecánica cuántica gobiernan su comportamiento y los átomos muestran nuevas características como la superposición y el entrelazamiento cuántico.

Después de eso, con la ayuda de láseres especiales, los investigadores activaron la red óptica, que mantiene los átomos dispuestos en una cuadrícula en todo el espacio. «Puedes imaginarlo como un cartón de huevos, donde los sitios individuales son en realidad donde se ponen los huevos. Pero en lugar de huevos tenemos átomos y en lugar de un cartón tenemos la red óptica», explica Sandra Buob, primera autora del artículo. .

Los átomos en la huevera interactúan entre sí, y a veces experimentan túneles cuánticos para moverse de un lugar a otro. Esta dinámica cuántica entre átomos imita la de los electrones en ciertos materiales. Por tanto, el estudio de estos sistemas puede ayudar a comprender el complejo comportamiento de determinados materiales, que es la idea principal de la simulación cuántica.

Tan pronto como el gas y la red óptica estuvieron listos, los investigadores tomaron las imágenes con su microscopio y finalmente pudieron observar átomo por átomo su gas cuántico de estroncio. A estas alturas la construcción de QUIONE ya era un éxito, pero sus creadores querían sacar aún más provecho de ella.

Entonces, además de las fotografías, tomaron videos de los átomos y pudieron observar que, si bien los átomos deberían permanecer estacionarios durante la toma de imágenes, a veces saltaban a un sitio cercano de la red. Esto puede explicarse por el fenómeno del túnel cuántico. «Los átomos estaban ‘saltando’ de un sitio a otro. Fue algo muy interesante de ver, ya que literalmente estábamos viendo una manifestación directa de su comportamiento cuántico inherente», comparte Buob.

Finalmente, el grupo de investigación utilizó su microscopio cuántico de gases para confirmar que el gas de estroncio era un superfluido, una fase cuántica de la materia que fluye sin viscosidad. “De repente apagamos el láser de red para que los átomos pudieran expandirse en el espacio e interferir entre sí. Esto generó un patrón de interferencia, debido a la dualidad onda-partícula de los átomos en el superfluido. Cuando nuestro equipo lo recogió comprobamos la presencia de superfluidez en la muestra”, explica el Dr. Antonio Rubio-Abadal.

«Es un momento muy apasionante para la simulación cuántica», comparte la profesora ICREA Leticia Tarruell. “Ahora que hemos agregado el estroncio a la lista de microscopios cuánticos de gases disponibles, pronto podremos simular materiales más complejos y exóticos. Entonces se espera que surjan nuevas fases de la materia. Y también esperamos obtener mucha más potencia computacional para utilizar estas máquinas como computadoras cuánticas analógicas».

Referencia: «A Strontium Quantum-Gas Microscope» de Sandra Buob, Jonatan Höschele, Vasiliy Makhalov, Antonio Rubio-Abadal y Leticia Tarruell, 18 de abril de 2024, PRX cuántico.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020316