Investigadores de la Ludwig-Maximilians-Universität, el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y el Centro de Ciencia Cuántica de Múnich (MCQST) han conseguido realizar una fase de materia fuertemente interactuante en escaleras de flujo bosónico a gran escala, denominada fase Mott-Meissner, utilizando un simulador cuántico de átomos neutros. Este avance, publicado en la revista Nature Physics, abre nuevas posibilidades para el estudio profundo de la materia cuántica topológica.
Alexander Impertro, primer autor del estudio, explicó que su trabajo se inspira en un esfuerzo prolongado dentro del campo de la simulación cuántica de átomos neutros para investigar fases de materia fuertemente interactivas en presencia de campos magnéticos. “La interacción de estos dos elementos puede crear una variedad de fases cuánticas de muchas partículas con propiedades exóticas”, añadió.
Sin embargo, las técnicas de ingeniería Floquet, una de las metodologías principales para obtener un campo magnético efectivo para átomos neutros, tienden a causar un calentamiento intenso en los sistemas cuánticos interactuantes. Este fenómeno ha limitado la mayoría de los experimentos previos a sistemas no interactuantes o débilmente interactuantes, mientras que las correlaciones fuertes se han restringido a sistemas de solo dos partículas.
Desarrollo de un simulador cuántico avanzado
El objetivo del reciente estudio fue aprovechar un nuevo simulador cuántico experimental para realizar estados cuánticos de muchas partículas con campos magnéticos artificiales y fuertes interacciones, pero con poco calentamiento. En sus experimentos, los investigadores utilizaron superrejillas ópticas y una resonancia de Feshbach, que les permitió ajustar la intensidad de las interacciones entre los átomos.
“Utilizando las superrejillas ópticas, particionamos una rejilla óptica bidimensional en una matriz independiente de sistemas de escaleras, donde realizamos los estudios experimentales,” explicó Impertro. Este enfoque facilita la modificación del movimiento de las partículas en la rejilla mediante láseres adicionales, lo que imita el efecto de un campo magnético sobre los átomos.
El equipo también se enfrentó al reto de encontrar regímenes de parámetros donde la tasa de calentamiento debido a la modulación periódica fuese mínima, lo cual es particularmente complicado para sistemas de muchas partículas. Además, desarrollaron una técnica de detección de corrientes que les permitió medir corrientes de partículas con resolución espacial completa en sistemas grandes, lo que representa un avance significativo en el ámbito de la microscopía de gases cuánticos.
“Por primera vez, pudimos preparar estados a baja temperatura en sistemas cuánticos con ingeniería Floquet y estudiar sus propiedades de manera microscópica,” señaló Impertro. Este trabajo representa un paso clave hacia el estudio de fases cuánticas de Hall fraccionario en sistemas cuánticos sintéticos, un objetivo de larga data en diversas comunidades científicas.
El enfoque adoptado por Impertro y su equipo no solo permite la validación de modelos teóricos de sistemas cuánticos fuertemente interactuantes, sino que también podría contribuir al avance futuro de tecnologías cuánticas. Entre los planes futuros se contempla explorar la rica diagramación de fases de escaleras de flujo más allá de la fase Mott-Meissner, investigando estados de vórtices o roturas de simetría, que son de gran interés en el campo de la física cuántica.
