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En la mecánica cuántica ocurre un baile muy particular donde los átomos ultrafríos se organizan al “compás" de la luz. Es precisamente la luz, la que actúa como coreógrafa de la materia y es capaz de cambiar de fase- o ritmo musical- a los átomos, y con ello, crear patrones de organización que se podrían aprovechar para optimizar diversas tecnologías.

El hallazgo fue reportado en septiembre de este año en la revista Physical Review Letters, bajo el nombre “Structural dynamics and strong correlations in dynamical quantum optical lattices”. Los autores del artículo son Adrián Ramírez y Santiago Caballero, del Instituto de Física de la UNAM.

Una cavidad óptica como salón de baile

Todo sucede en una cavidad óptica de alta calidad (high-Q optical cavity). Es como un salón de baile con espejos muy reflectantes en el techo y en el suelo para que la luz -bombeada con un láser- rebote una y otra vez entre ellos. Mientras tanto, los bailarines -o sea los átomos ultrafríos (con temperaturas extremadamente bajas y cercanas al cero absoluto)- son inyectados en forma de gas.

Generalmente, las cavidades ópticas se componen de un campo magnético y otro eléctrico, y una fuente de luz que rebota permanentemente entre los espejos, ocasionando que los fotones de la luz inmovilicen a los átomos ultrafríos. Pero además, la investigación de Ramírez y Caballero considera otro bombeo de luz que le proporciona instrucciones de movimiento a los átomos para que se organicen de cierta forma.

“Haces incidir láseres adicionales, además de los láseres de atrapamiento, y esos láseres, dependiendo de la condición geométrica que pongas, o sea el ángulo de incidencia y la fase que tienen (la polarización con la que viene la luz), va a acoplar de manera distinta a los átomos dependiendo de cómo ven la luz que rebota en los espejos”, explica Caballero.

Como todo baile, la música es indispensable para crear los movimientos coordinados de los bailarines pero, en este caso, en lugar de escuchar música con ritmos diferentes hay luz con cuadraturas ortogonales distintas, mismas que los autores han llamado Q y P, algo similar a escuchar hip hop y salsa. Ambos tienen ritmos distintos y depende del tipo de luz que “suene” y desde qué parte del salón “suena” para que los átomos adopten reglas de movimiento específicas para cada ritmo.

Tal como sucede con una persona que prefiere un tipo de música por encima de otro para bailar, los átomos también se comportan de manera específica dependiendo del tipo de luz que se bombea en la cavidad. Si la luz es roja, los átomos se posicionan en las zonas más brillantes del salón pero los autores quisieron probar con un experimento contraintuitivo: utilizar luz desintonizada al azul.

“La desintonía es la diferencia que hay entre la frecuencia de la luz incidente y la frecuencia natural de la cavidad, es decir, la cantidad de energía que necesito para hacer que el estado de menor energía vaya a su estado excitado; en este caso tenemos sistemas que viven en una representación efectiva de su estado más bajo de energía y su primer estado excitado pero de manera colectiva”, explicó Caballero.

En la cuadratura Q (el hip hop) se genera una pista de baile con zonas intensas de luz y otras muy oscuras, como si se tratara de un tablero de ajedrez. Entonces, los átomos se organizan colectivamente para posicionarse en los cuadrados oscuros y reflejar la luz para bailar más cómodos.

“En estos experimentos estamos interesados en el caso donde está desintonizado el azul, y entonces los átomos cuando ven la luz se repelen de los máximos de luz y se van a la parte oscura del sistema. En estas condiciones, estos átomos van a poder emitir luz también”, aclara el investigador. Para la cuadratura Q, los átomos emiten luz en el eje principal de la cavidad.

Quiere decir que para que la luz funcione como coreógrafa de los átomos ultrafríos y los oriente a bailar en ciertas zonas de la pista, se deben ajustar los parámetros de la desintonía. Para lograrlo, los autores combinaron dos condiciones cruciales: la medición de la intensidad de la repulsión de los átomos cuando chocan entre sí (g2D) y la geometría de la iluminación de la cavidad, que puede ser balanceada -cuando hay simetría en la luz-, o desbalanceada -cuando el sistema es asimétrico-.

“Cuando la cuadratura es desbalanceada el ordenamiento es más unidimensional, como si los átomos se organizaran en filas; el sistema cambia de estar organizado en una cuadrícula de tablero a una de rayas”, explicó Caballero.

La relevancia del artículo radica en que, además de utilizar la desintonía como una forma de repeler a los átomos, esta autoorganización da lugar a nuevas fases cuánticas de la materia. Resulta que, incluso cuando la música -o en este caso la luz- molesta y repele a los bailarines a las zonas oscuras, se crean coreografías nuevas en las que los átomos se autoorganizan para crear su propio patrón de luz.

Es entonces cuando se dice que surge la fase superradiante SR1 donde los átomos interactúan fuertemente entre ellos y pueden comportarse como un superfluido (con movimiento) o un aislante de Mott (inmóviles y ordenados) en función del nivel de energía que tengan.

Esto quiere decir que la desintonización no solamente actúa como una herramienta técnica para hacer bailar a los átomos sino que cuando ha comenzado el baile cuántico, los átomos se acoplan a la música, o sea a la luz en esta analogía.

Del hip hop a la salsa, ¿cómo la luz cambia a los átomos de fases cuánticas?

Al inicio, los átomos están organizados en filas por una luz repulsiva (desintonizada al azul) y bailan libremente a lo largo de esas líneas y se mueven cada uno por su cuenta, como un líquido. Pero basta con que los autores ajusten la sintonización para que, bajo ciertas condiciones, a los átomos les resulte favorable autoroganizarse y dispersar la luz colectivamente hacia los espejos del salón. Este baile coordinado crea pistas de baile completamente nuevas y permite a los átomos cambiar de fase.

Para pasar a la fase superradiante (el hip hop o SR1), los átomos se autoorganizan de tal manera que crean una nueva iluminación en el salón, transformando la pista enn un tablero de ajedrez bidimensional. Este fenómeno es una transición de primer orden, es decir, abrupta porque no solo cambió el estado de los átomos sino que la estructura misma del salón se reconfiguró de forma drástica.

En cambio, una transición suave (de segundo orden) ocurre cuando los bailarines se mantienen en el mismo tipo de baile y en la misma pista pero con cambios en su comportamiento. Bailan hip hop pero cambian su estado de la materia -de fluido a congelado- gracias al ablandamiento de modos, un concepto de la física que explica por qué los átomos, antes de quedar inmóviles se frenan gradualmente.

“Clásicamente, las transiciones suceden a través de la temperatura, cuando hay cambios estructurales en un material , entonces dependiendo de qué temperatura tenga el sistema puede ir de una fase cúbica a una fase de cara central. A mayor temperatura, los atómos quieren estar ordenados de manera más homogénea posible; conforme voy bajando la temperatura voy perdiendo esas simetrías…voy a ir restringiendo la cantidad de estados que tengo disponibles para representarlos”, dice Caballero.

Explica el investigador que a medida que se reducen las simetrías, los átomos prefieren una fase por encima de otra: “una vez en la transición, es como si se rompiera un resorte. En este sistema hay algo que se llama anamornicidades que son las que hacen el cambio de estructura, ¿esto qué quiere decir? que los ya no son un conjunto de osciladores armónicos, ya no pueden oscilar en todas las direcciones porque se quedan atorados en esas configuraciones”, dice.

También explica que, “en el caso cuántico -a diferencia del clásico, la anarmonicidad sucede sin depender de la temperatura cero Kelvin, y en este caso el origen es por las interacciones entre los átomos, por las colisiones entre ellos, por su interacción con la luz, y por los cambios en la degeneración cuántica de los átomos”.

Quiere decir que cuando los átomos ya no pueden moverse suavemente y requieren su propio espacio para moverse, en cualquier dirección, chocan, se repelen y son forzados a adoptar posiciones rígidas y fijas (aislante de Mott), coreografías superradiantes aislantes, o se comienzan a mover más rápido y se vuelven coreografías superfluidas superradiantes, entonces se modifica la armonía de los movimientos de los átomos con ausencia de luz.

El artículo de Ramírez y Caballero muestra que los átomos no solo siguen el ritmo de la luz sino que a través de su coreografía colectiva se convierten en los compositores de su propia música y los arquitectos de su propio salón de baile para crear patrones y estados de la materia nunca antes vistos en este tipo de propuestas cuánticas.

Crédito: PRL