Un termómetro no invasivo para condensados de Bose-Einstein a 200 picokelvin

El récord de temperatura para un condensado de Bose–Einstein es un picokelvin (una billonésima de kelvin); para medirla hubo que destruir el estado cuántico del condensado. Se publica en Physical Review Letters un nuevo método teórico que usa una impureza (polarón) para medir temperaturas por debajo del nanokelvin (~0.2 nK) con una perturbación mínima del condensado. El nuevo termómetro se basa en medir la posición y el momento de la impureza en el condensado usando metrología cuántica. Todavía es solo una idea teórica que tendrá que ser explorada en futuros experimentos.

Los condensados de Bose–Einstein (BEC) están formados por átomos ultraenfriados que comparten un estado cuántico común. Gracias a ello se consideran una plataforma muy prometedora para realizar computación cuántica. Poder medir su temperatura de forma no invasiva, sin demoler su estado cuántico, permitirá garantizar que su funcionamiento es el adecuado durante toda la computación. Por ello, este nuevo artículo, aunque sea teórico, me parece muy interesante. Debo confesar que este artículo también ha llamado mi atención porque uno de los autores es mi amigo (y coautor) Miguel Ángel García-March, del ICFO (Institut de Ciències Fotòniques), Barcelona, España. Me alegra que siga produciendo artículos interesantes en los que explota sus conocimientos de física computacional.

El artículo es Mohammad Mehboudi, …, Miguel Ángel García-March, and Maciej Lewenstein, “Using Polarons for sub-nK Quantum Nondemolition Thermometry in a Bose-Einstein Condensate,” Phys. Rev. Lett. 122: 030403 (24 Jan 2019), doi: 10.1103/PhysRevLett.122.030403arXiv:1806.07198 [cond-mat.quant-gas]; el modelo para la dinámica de la impureza en el condensado se publicó en Aniello Lampo, …, Miguel Ángel García-March, Maciej Lewenstein, “Bose polaron as an instance of quantum Brownian motion,” Quantum 1: 30 (2017), doi: 10.22331/q-2017-09-27-30arXiv:1704.07623. Más información divulgativa en Christopher Crockett, “Synopsis: Taking the Temperature of a Bose-Einstein Condensate,” APS Physics, 24 Jan 2019.

La termometría cuántica es un campo emergente cuyo objetivo es la medida no invasiva de la temperatura de sistemas cuánticos. Para ello se combina las técnicas de metrología cuántica con el análisis teórico de sistemas cuánticos abiertos. En el modelo de Mehboudi y sus colegas, una impureza en el BEC actúa como sonda de temperatura. Igual que en un material superconductor conviven el estado superconductor (un BEC) con un estado conductor convencional (un líquido de Fermi), la impureza atrapada en el BEC puede convivir con él sin afectarlo de forma significativa.

La impureza se modela como una partícula con movimiento browniano sumergida en el baño térmico de modos de Bogoliubov del BEC unidimensional; es decir, se modela como un polarón unidimensional. El concepto de polarón fue introducido por Landau en 1933 en un artículo de una sola página, ampliado por Landau y Pekar en 1951; describe un portador (electrón o hueco) en un semiconductor polar rodeado (revestido) de la nube de polarización que induce en los iones de la red cristalina del material. En un BEC la impureza que se comporta como polarón es un bosón en un baño de bosones. La masa de la impureza y su energía de enlace difieren de las de los átomos del BEC. Gracias a ello se puede interaccionar con la impureza sin afectar el estado del BEC. La dinámica del polarón (impureza) está regida por una versión cuántica de la ecuación de Langevin (1909) para el movimiento browniano clásico.

La medida reiterada de la posición y la velocidad de la impureza (polaritón), dentro de los límites del principio de incertidumbre, permite estimar la temperatura del condensado en el que está sumergida. Para una impureza de iterbio (Yb) en un BEC de átomos de potasio (K) se estima que unas cien medidas son necesarias para alcanzar una precisión del 14% para temperaturas de unos 200 pK. A priori, las técnicas de metrología cuántica actuales permiten realizar estas medidas con una perturbación despreciable sobre el condensado. Así se logra un nuevo termómetro cuántico que alcanza una resolución (teórica) por debajo del nanokelvin.

Por supuesto, ahora es el turno de los físicos experimentales. Tendrán que verificar en laboratorio las predicciones teóricas usando BEC cuasi-unidimensionales. A priori no parece difícil, pero tampoco fácil. Mientras tanto los teóricos tendrán que extender el modelo unidimensional a BEC con dos y tres dimensiones; algo que tampoco parece difícil, salvo por el coste computacional de las simulaciones. Habrá que estar al tanto a los progresos en ambas líneas de trabajo.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 5 febrero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science • Termodinámica
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