Los científicos de EPFL han encontrado una nueva forma de crear una estructura cristalina llamada « onda de densidad » en un gas atómico. Los hallazgos pueden ayudarnos a comprender mejor el comportamiento de la materia cuántica, uno de los problemas más complejos de la física.

« Los gases atómicos fríos eran bien conocidos en el pasado por su capacidad de ‘programar’ las interacciones entre los átomos », dice el profesor Jean-Philippe Brantut de la EPFL. « ¡Nuestro experimento duplica esta habilidad !  » Trabajando con el grupo del profesor Helmut Ritsch de la Universidad de Innsbruck, lograron un avance que puede impactar no solo en la investigación cuántica sino también en las tecnologías basadas en la cuántica en el futuro.

Ondas de densidad

Los científicos han estado interesados ​​durante mucho tiempo en comprender cómo los materiales se autoorganizan en estructuras complejas, como los cristales. En el mundo a menudo arcano de la física cuántica, este tipo de autoorganización de las partículas se ve en las « ondas de densidad », donde las partículas se organizan en un patrón u « orden » regular y repetitivo; como un grupo de personas con camisas de diferentes colores en una fila pero en un patrón donde no hay dos personas con camisas del mismo color paradas una al lado de la otra.

Las ondas de densidad se observan en una variedad de materiales, incluidos metales, aislantes y superconductores. Sin embargo, estudiarlos ha sido difícil, especialmente cuando este orden (los patrones de partículas en la onda) ocurre con otros tipos de organización como la superfluidez, una propiedad que permite que las partículas fluyan sin resistencia.

Vale la pena señalar que la superfluidez no es solo una curiosidad teórica; es de gran interés para el desarrollo de materiales con propiedades únicas, como la superconductividad a alta temperatura, que podría conducir a una transferencia y almacenamiento de energía más eficientes, o para construir computadoras cuánticas.

Puesta a punto de un gas Fermi con luz

Para explorar esta interacción, Brantut y sus colegas, los investigadores crearon un « gas de Fermi unitario », un gas delgado de átomos de litio enfriado a temperaturas extremadamente bajas, y donde los átomos chocan entre sí muy a menudo.

Luego, los investigadores colocaron este gas en una cavidad óptica, un dispositivo utilizado para confinar la luz en un espacio pequeño durante un período prolongado de tiempo. Las cavidades ópticas están hechas de dos espejos enfrentados que reflejan la luz entrante entre ellos miles de veces, lo que permite que las partículas de luz, los fotones, se acumulen dentro de la cavidad.

En el estudio, los investigadores utilizaron la cavidad para hacer que las partículas del gas de Fermi interactúen a larga distancia : un primer átomo emitiría un fotón que rebota en los espejos, que luego es reabsorbido por el segundo átomo del gas, independientemente de la distancia. es del primero. Cuando se emiten y reabsorben suficientes fotones, fácilmente sintonizados en el experimento, los átomos se organizan colectivamente en un patrón de onda de densidad.

« La combinación de átomos que chocan directamente entre sí en el gas de Fermi, mientras intercambian simultáneamente fotones a larga distancia, es un nuevo tipo de materia donde las interacciones son extremas », dice Brantut. « Esperamos que lo que veremos allí mejore nuestra comprensión de algunos de los materiales más complejos que se encuentran en la física ».