MADRID, 7 Oct. (EUROPA PRESS) -
Científicos del MIT y el Instituto Federal Suizo de Tecnología han creado y observado por primera vez un solo fonón, una partícula individual de vibración, en un material común a temperatura ambiente.
Cuando se toca una cuerda de guitarra, vibra como lo haría cualquier objeto vibrante, subiendo y bajando como una onda, como predicen las leyes de la física clásica.
Pero según las leyes de la mecánica cuántica, que describen la forma en que funciona 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 individuales de energía conocidas como fonones.
Hasta ahora, los fonones individuales solo se han observado a temperaturas extremadamente frías y en materiales microscópicos diseñados con precisión que los investigadores deben sondear al vacío.
En contraste, el equipo ha creado y observado fonones individuales en una pieza de diamante que se encuentra al aire libre a temperatura ambiente. Los resultados, escriben los investigadores en un artículo publicado en Physical Review X, "acercan 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 en un comunicado Vivishek Sudhir, un postdoctorando en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Nuestro experimento, debido a que se realiza en condiciones muy tangibles, rompe esta tensión entre nuestra experiencia diaria 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 puede ayudar a los investigadores a caracterizar los procesos atómicos en las células solares, así como a identificar por qué ciertos materiales son superconductores a altas temperaturas.
Desde una perspectiva de ingeniería, la técnica del equipo se puede utilizar para identificar materiales comunes que transportan fonones que pueden ser interconexiones ideales, o líneas de transmisión, entre las computadoras cuánticas del futuro.
"Lo que nuestro trabajo significa es que ahora tenemos acceso a una paleta de sistemas mucho más amplia para elegir", dice Sudhir, uno de los autores principales del artículo.
EXPERIMENTO
Para el nuevo estudio, el equipo recurrió al diamante como sujeto de prueba. En el diamante, los fonones operan naturalmente a altas frecuencias, de decenas de terahercios, tan altas que, a temperatura ambiente, la energía de un solo fonón es mayor que la energía térmica circundante.
"Cuando este cristal de diamante se encuentra 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 vibratoriamente silenciosa de fonones, los investigadores intentaron excitar solo un fonón. Enviaron pulsos láser de alta frecuencia, que constan de 100 millones de fotones cada uno, en el diamante, un cristal formado por átomos de carbono, en caso de que uno de ellos interactúe y se refleje en un fonón. Luego, el equipo mediría la disminución de la frecuencia del fotón involucrado en la colisión, confirmación de que efectivamente había chocado con un fonón, aunque esta operación no sería capaz de discernir si uno o más fonones estaban excitados en el proceso.
Para descifrar la cantidad de fonones excitados, los investigadores enviaron un segundo pulso láser al diamante, a medida que la energía del fonón decaía gradualmente. Para cada fonón excitado por el primer pulso, este segundo pulso puede eliminar la excitación, quitando esa energía en forma de un nuevo fotón de mayor energía. Si solo un fonón se excitó inicialmente, entonces 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, junto con dos detectores a cada lado del vidrio. Los fotones no se dividen, por lo que si se excitan múltiples fonones y luego se desexcitan, los fotones resultantes deberían pasar a través del vidrio y dispersarse aleatoriamente en ambos detectores. Si solo un "clic" del detector indica la detección de un solo fotón, el equipo puede estar seguro de que ese fotón interactúa con un solo fonón.
"Es un truco inteligente que jugamos para asegurarnos de que estamos observando un solo fonón", dice Sudhir.
La probabilidad de que un fotón interactúe con un fonón es de aproximadamente uno de cada 10.000 millones. En sus experimentos, los investigadores bombardearon el diamante con 80 millones de pulsos por segundo, lo que Sudhir describe como un "tren de millones de miles de millones de fotones" durante varias horas, para detectar aproximadamente 1 millón de interacciones fotón-fonón. Al final, encontraron, con significación estadística, que podían crear y detectar un solo cuántico de vibración.
"Este es un reclamo ambicioso, y debemos tener cuidado de que la ciencia se realice rigurosamente, sin lugar a dudas razonables", dice Sudhir.
Cuando enviaron su segundo pulso láser para verificar que efectivamente se estaban creando fonones individuales, los investigadores retrasaron este pulso y lo enviaron al diamante cuando el fonón excitado comenzaba a disminuir en energía. De esta manera, pudieron deducir la forma en que el fonón mismo se descompuso.