Demostración de interacciones quirales en un sistema cuántico sintonizable

En la física moderna, nuestra comprensión del mundo se basa en las teorías gauge: modelos matemáticos de la física teórica que describen las interacciones entre las partículas elementales (como los electrones o los quarks) y explican de forma cuántica tres de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnética, débil y fuerte. La cuarta fuerza fundamental, la gravedad, se describe con la teoría de la relatividad general de Einstein, que es una teoría de gauge clásica ya que aún no disponemos de una teoría que unifique la mecánica cuántica con la gravedad. Las teorías gauge pueden utilizarse asimismo para explicar el comportamiento exótico de los electrones en ciertos materiales cuánticos, o los códigos de corrección de errores que necesitarán los futuros ordenadores cuánticos para funcionar de forma fiable. Por ello, las teorías de gauge son esenciales para entender la física moderna.

Para comprender mejor dichas teorías, una posibilidad es realizarlas utilizando otros sistemas cuánticos. Esta estrategia recibe el nombre de simulación cuántica y constituye un tipo especial de computación cuántica. Fue propuesta por primera vez por el físico estadounidense Richard Feynman en los años 80, más de quince años después de recibir el premio Nobel de física por su trabajo teórico sobre las teorías gauge. La simulación cuántica puede entenderse como un juego de LEGO cuántico en el que los físicos experimentales dan realidad a modelos teóricos abstractos. Los construyen en el laboratorio “pieza cuántica a pieza cuántica”, utilizando para ello sistemas cuánticos muy bien controlados, como átomos o iones ultrafríos. Tras montar un prototipo de LEGO cuántico para un modelo concreto, los investigadores pueden medir con gran precisión sus propiedades en el laboratorio y utilizar sus resultados para comprender mejor la teoría que imita. Durante la última década, la simulación cuántica se ha explotado intensamente para investigar materiales cuánticos. Sin embargo, “jugar” al LEGO cuántico con las teorías gauge es fundamentalmente más difícil, y hasta ahora sólo se había logrado investigar de ese modo la fuerza electromagnética.

En un estudio reciente publicado en la revista Nature, los investigadores experimentales del ICFO Anika Frölian, Craig Chisholm, Ramón Ramos, Elettra Neri y César Cabrera, dirigidos por la profesora ICREA del ICFO Leticia Tarruell, en colaboración con Alessio Celi, investigador teórico del programa Talent de la Universidad Autónoma de Barcelona, han podido simular por primera vez una teoría gauge distinta del electromagnetismo, utilizando para ello átomos ultrafríos.

Una teoría gauge para fotones muy pesados

El equipo se propuso realizar en el laboratorio una teoría gauge que se enmarca dentro de la clase de teorías gauge topológicas, diferente de la clase de teorías gauge dinámicas a las que pertenece el electromagnetismo.

En el lenguaje de la teoría gauge, la fuerza electromagnética entre dos electrones surge cuando intercambian un fotón: una partícula de luz que puede propagarse también en ausencia de materia. Sin embargo, en los materiales cuánticos bidimensionales sometidos a campos magnéticos intensos, los fotones intercambiados por los electrones se comportan como si fueran extremadamente pesados y sólo pueden moverse mientras estén unidos a la materia. Esto da a los electrones propiedades muy peculiares: sólo pueden fluir a través de los bordes del material, en una dirección que está fijada por la orientación del campo magnético, y su carga se vuelve aparentemente fraccionaria. Dicho comportamiento se conoce como efecto Hall cuántico fraccionario, y se describe mediante la teoría de gauge de Chern-Simons (el nombre de los matemáticos que desarrollaron uno de sus elementos clave). El comportamiento de los electrones en el borde del material también se describe por una teoría gauge, que recibe el nombre de BF quiral. Dicha teoría fue propuesta en los años 90, pero nadie la había realizado en el laboratorio hasta que los investigadores del ICFO y la UAB la sacaron del congelador.

Una nube ultrafría que se comporta de forma diferente a su imagen en el espejo

Para dar realidad a esta teoría gauge topológica y simularla en su experimento, el equipo utilizó una nube de átomos enfriados a temperaturas de unas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Como especie atómica eligieron el potasio, porque uno de sus isótopos tiene dos estados que interactúan con distinta fuerza y pueden utilizarse como piezas cuánticas para construir la teoría gauge BF quiral. A continuación, aplicaron luz láser para combinar los dos estados en uno nuevo. Esta técnica, denominada "vestir los átomos con luz", hizo que los átomos adquirieran interacciones peculiares cuya fuerza y signo dependían de la velocidad de la nube. Por último, crearon una guía de ondas óptica que restringía el movimiento de los átomos a una línea, y utilizaron láseres adicionales para golpear la nube de forma que se moviese a diferentes velocidades a lo largo de la guía de ondas.

En condiciones normales, al dejar evolucionar libremente los átomos en la guía de onda óptica, la nube de potasio se debería haber empezado a expandir inmediatamente. Sin embargo, la “luz de vestido” modificó completamente el comportamiento de los átomos, como los investigadores vieron al tomar imágenes de la nube en el laboratorio. Como explica Ramón Ramos, "en nuestro sistema, cuando los átomos se mueven hacia la derecha, sus interacciones son atractivas y anulan el comportamiento de los átomos que intentan expandirse. Así que lo que se ve en realidad es que la forma de la nube sigue siendo la misma. En términos técnicos, realizamos un solitón. Pero, si los átomos se mueven hacia la izquierda, estos átomos se expanden como un gas normal". El hecho de que los átomos se comporten de forma diferente al moverse en direcciones opuestas demuestra que el sistema es quiral, es decir, diferente de su imagen en el espejo. "Cuando observamos por primera vez el efecto de las interacciones quirales en nuestra nube atómica, no intentábamos simular una teoría gauge. Pero los datos eran tan bonitos e intrigantes que pensamos que necesitábamos entender mejor lo que estaba pasando. Cambiaron por completo los planes de investigación del equipo", dice Leticia Tarruell.

El equipo entendió rápidamente que sus observaciones estaban relacionadas con un artículo teórico publicado diez años antes, que proponía utilizar un montaje casi idéntico para estudiar un tipo modificado de electromagnetismo. Sin embargo, los resultados del experimento eran diferentes de los esperados. Como recuerda Craig Chisholm, al principio "los resultados que obteníamos no parecían coincidir en absoluto con los de la teoría. El reto era comprender en qué régimen había que estar para ver realmente el efecto correcto - el procedente del lugar correcto - y eliminar los efectos procedentes de lugares equivocados".

Para el equipo experimental, el significado del electromagnetismo modificado que se mencionaba en el artículo tampoco estaba muy claro. Citaba artículos de física matemática de los años 90, que explicaban de forma mucho más detallada el modelo y lo conectaban con las teorías gauge utilizadas para describir el efecto Hall cuántico fraccionario. Sin embargo, como dice Tarruell, "para físicos atómicos experimentales como nosotros, el contenido de esos artículos era muy difícil de entender, porque estaban escritos en un lenguaje de física matemática completamente diferente al nuestro. Era realmente frustrante saber que la respuesta a nuestras preguntas estaba ahí, ¡pero no éramos capaces de entenderla! Fue entonces cuando decidimos pedir ayuda a un físico teórico".

Una colaboración fructífera entre teoría y experimento

Para Alessio Celi, que trabajó durante muchos años en física teórica de altas energías y gravedad antes de pasarse a la simulación cuántica, leer los artículos originales sobre teorías gauge fue relativamente fácil. Al mismo tiempo, pudo discutir con el equipo del ICFO y comprender el régimen en el que se podían realizar los experimentos y sus retos. Tras varios intentos fallidos, les propuso un modelo que explicaba adecuadamente los resultados observados en el laboratorio. Como explica, "el principal problema que teníamos era entrar en el marco adecuado. Una vez entendimos dónde buscar, el problema se volvió fácil de resolver". Sorprendentemente, existía un régimen de parámetros en el que este modelo era exactamente la teoría de gauge topológica propuesta 30 años antes para describir los bordes de los materiales de Hall cuántico fraccionario.

"Creo que este proyecto nos muestra el interés de las colaboraciones interdisciplinarias. Combinar métodos experimentales de física de ultrabajas temperaturas e ideas teóricas de física de altas energías ha hecho de todos nosotros mejores físicos. Y hemos logrado la primera simulación cuántica de una teoría de gauge topológica", concluye Tarruell.

Ahora, el equipo se prepara a explorar las nuevas líneas de investigación abiertas por este proyecto. Su objetivo es intentar extender los experimentos y la teoría de una línea a un plano, lo que les permitiría observar el efecto Hall cuántico fraccionario sin necesidad de un material cuántico. De esa forma, podrían crear de forma muy controlada cuasipartículas exóticas, llamadas aniones, que en el futuro podrían utilizarse para formas más robustas de computación cuántica.

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Referencia: Realizing a 1D topological gauge theory in an optically dressed BEC, Anika Frölian, Craig S. Chisholm, Elettra Neri, Cesar R. Cabrera, Ramón Ramos, Alessio Celi, and Leticia Tarruell, 2022, Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-04943-3

Agradecimientos: Este trabajo ha sido financiado por la Unión Europea (ERC CoG-101003295 SuperComp), el Ministerio de Ciencia e Innovación y la Agencia Estatal de Investigación (proyectos LIGAS PID2020-112687GB-C21 en el ICFO y PID2020-112687GB-C22 en la UAB, y Severo Ochoa CEX2019-000910-S en el ICFO), Deutsche Forschungsgemeinschaft (Unidad de Investigación FOR2414, Proyecto No. 277974659), Fundación Ramón Areces (proyecto CODEC), Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, y Generalitat de Catalunya (Programa Operativo FEDER de Catalunya, Proyecto QUASICAT/QuantumCat Ref. Nº 001-P-001644, programa AGAUR y CERCA). A. F. agradece el apoyo de la Fundación La Caixa (ID 100010434, beca de doctorado LCF/BQ/DI18/11660040) y de la Unión Europea (Marie Sklodowska-Curie-713673), C. S. C. de la Unión Europea (Marie Sklodowska-Curie-713729), E. N. de la Unión Europea (Marie Sklodowska-Curie-101029996 ToPIKS), C. R. C. de una beca postdoctoral ICFO-MPQ Cellex, R. R. de la Unión Europea (Marie Sklodowska-Curie-101030630 UltraComp), A. C. del programa Talent Research de la UAB, y L. T. del Ministerio de Ciencia e Innovación, la Agencia Estatal de Investigación y el Fondo Social Europeo (RYC-2015-17890).