26.11.2021 - Universität Hamburg

Nueva técnica de microscopía para la simulación cuántica

El método puede utilizarse para explorar regímenes totalmente nuevos

Investigadores del Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo han desarrollado una nueva técnica de microscopía cuántica de gases que ahora permite obtener imágenes de sistemas cuánticos tridimensionales. En la revista Nature, informan sobre el nuevo método, que puede utilizarse para explorar regímenes totalmente nuevos.

En la simulación cuántica, los investigadores estudian un sistema cuántico controlado en el laboratorio para comprender la física de otro sistema menos controlado. Por ejemplo, se utilizan átomos ultrafríos atrapados en ondas estacionarias de luz láser para imitar la física de los electrones en materiales de estado sólido y obtener nuevos conocimientos sobre sus fases cuánticas. Además de la preparación controlada del sistema, la obtención de imágenes también es crucial. Por ejemplo, los microscopios de gas cuántico permiten la detección de todas las partículas del sistema cuántico y, por tanto, dan acceso a funciones de correlación arbitrarias para caracterizar el estado. Esta tecnología se basa en la resolución óptica de los sitios de la red a intervalos de medio micrómetro, por lo que anteriormente estaba limitada por la profundidad de campo a sistemas bidimensionales.

En el nuevo método desarrollado por los investigadores de Hamburgo dirigidos por el Dr. Christof Weitenberg y el Prof. Klaus Sengstock, que también investigan en el Clúster de Excelencia "CUI: Advanced Imaging of Matter", esto se ha superado y también es posible la resolución de sistemas tridimensionales. Para ello, los científicos utilizan la llamada óptica de ondas de materia, es decir, una ampliación de la distribución de la densidad de los propios átomos ultrafríos por un factor de hasta 90. De este modo, es posible obtener imágenes ópticas de los átomos después de esta ampliación, sin limitaciones de difracción o profundidad de campo. La óptica de ondas matéricas se basa en una lente en forma de trampa armónica, que se enciende durante un cuarto de período, y en una posterior expansión libre de los átomos. Ambos procesos conducen a una transformación entre el espacio real y el espacio del momento y, en combinación, a la imagen de aumento.

Los investigadores utilizan la nueva técnica para estudiar condensados de Bose-Einstein de átomos de rubidio ultrafríos en una red óptica. De este modo, pueden realizar una medición especialmente precisa de la transición de fase en el condensado de Bose-Einstein. A continuación, los investigadores quieren seguir desarrollando la nueva técnica de microscopía. Esto debería permitir detectar todos los átomos individualmente en un régimen de sólo unos pocos átomos por sitio de la red. Además, modificando la óptica de las ondas de materia, será posible medir no sólo la densidad sino también las propiedades de coherencia del sistema de forma espacialmente resuelta. Luca Asteria, que ha desarrollado la técnica con sus colegas, explica: "Con esta técnica de microscopía, podemos explorar regímenes completamente nuevos que antes no eran accesibles".

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