Una puntera investigación, con participación de Alfonso Lanuza, físico y matemático burgalés, ha logrado confirmar teorías de hace 70 años, al observar y estudiar comportamientos cuánticos de cómo un conjunto de átomos coopera al emitir fotones de forma espontánea. Además, este investigador postdoctoral del grupo de Física Matemática de la Universidad de Burgos ha logrado desarrollar la explicación matemática exacta de este comportamiento a pequeña escala, un reto que presentaba una enorme complejidad.
Los resultados se han presentado en dos publicaciones, en las revistas Nature Physics y Physical Review Research, derivadas de la investigación doctoral de Alfonso Lanuza en el laboratorio de Dominik Schneble, de la Universidad de Stony Brook (EEUU). Este laboratorio es uno de los pocos del mundo en los que se pueden estudiar átomos en uno de los estados más raros de la materia, el condensado de Bose-Einstein, que ocurre cerca de los -273,15 grados centígrados, la temperatura más baja físicamente posible. A esta temperatura tan radical, los átomos presentan de forma macroscópica propiedades cuánticas que estos científicos han aprovechado para estudiar comportamientos teorizados, pero que nunca, hasta ahora, se habían observado de forma experimental.
Gracias a esta compleja técnica, en la que se enfrían hasta casi el cero absoluto unos 10.000 átomos de rubidio, se ha logrado crear un peculiar sistema en el que se replica el mundo cuántico en una versión macroscópica para estudiar los emisores cuánticos, conjuntos de átomos que emiten fotones, las partículas de la luz. Usando láseres cuidadosamente controlados, se proyecta luz que simula el comportamiento de los átomos en el mundo cuántico y, por su parte, los pesados átomos de rubidio se comportan como si fueran fotones del mundo cuántico, con la ventaja de moverse mucho más lentos, lo que facilita el estudio de su dinámica y da cabida a nuevos fenómenos inesperados.
Así, los científicos han logrado reproducir, observar y fotografiar comportamientos de óptica cuántica que exceden los teorizados por Robert H. Dicke en 1954, sobre cómo, en función de la interacción colectiva de un conjunto de átomos, la emisión espontánea de fotones puede ser reforzada (superradiancia) o suprimida (subradiancia). Esto supone una confirmación empírica de dinámicas que pueden servir para comprender mejor el mundo cuántico y para desarrollar nuevas tecnologías como la computación o las comunicaciones cuánticas.
Solución exacta a un problema complejísimo
Además de estos experimentos, los científicos han trabajado en desarrollar un modelo matemático que explique las observaciones realizadas. En este apartado, Alfonso Lanuza ha liderado el hallazgo de una solución exacta para explicar cómo dos emisores cuánticos pueden cooperar pese a emitir luz significativamente lenta. El hecho de que los fotones no escapen de los emisores inmediatamente causa una serie de fenómenos de gran complejidad, a lo que los físicos denominan “efectos no markovianos”. El doctor Lanuza ha logrado desenmarañar infinitas ecuaciones para dar con una solución que permite explicar cómo funcionan estos dos emisores cuánticos. Esta solución no solo permite entender mejor estos estados cuánticos, sino que puede servir de inspiración a otros investigadores para hallar modelos matemáticos más sencillos y prácticos al enfrentarse a situaciones en las que un sistema complejo oculta simetrías no perceptibles a simple vista.
Entrevista
La Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Burgos ha grabado una entrevista a Alfonso Lanuza, disponible en el canal de YouTube UBUinvestiga, en la que cuenta y profundiza en los hallazgos de la investigación.
Referencias
- Kim, Y., Lanuza, A., & Schneble, D. (2024). Super- and subradiant dynamics of quantum emitters mediated by atomic matter waves. Nature Physics. DOI
- Lanuza, A., & Schneble, D. (2024). Exact solution for the collective non-Markovian decay of two fully excited quantum emitters. Physical Review Research. DOI