Convierten un ‘cristal de luz’ en un simulador de agujeros negros

Un estudio de la Complutense reproducirá en laboratorio fenómenos asociados al caos cuántico del cosmos

Lo que hasta ahora pertenecía casi exclusivamente al terreno de las ecuaciones podría estar cada vez más cerca de la experimentación. Un equipo de investigadores de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha logrado convertir una red óptica, una especie de ‘cristal de luz’ formado por láseres, en un simulador capaz de recrear algunas de las propiedades cuánticas que se atribuyen a los agujeros negros.

¿Es posible estudiar un agujero negro sin salir de un laboratorio? Un grupo de físicos de UCM, en colaboración con el Collège de France, cree haber dado un paso importante en esa dirección gracias a una técnica que permite reproducir algunos de los comportamientos cuánticos asociados a estos objetos cósmicos utilizando átomos ultrafríos atrapados en una red de luz. El hallazgo abre así una nueva vía para estudiar en el laboratorio fenómenos considerados entre los más enigmáticos de la física moderna.

El trabajo, publicado en la revista ‘Physical Review Letters‘, plantea una forma más accesible de recrear experimentalmente el denominado modelo de Sachdev-Ye-Kitaev (SYK), una de las herramientas teóricas más utilizadas en la actualidad para investigar el caos cuántico, la propagación de la información en sistemas complejos y determinadas conexiones entre la mecánica cuántica y la gravedad.

Durante la última década, este modelo despertó un enorme interés entre los físicos «porque reproduce comportamientos que recuerdan a los que se esperan en los agujeros negros». Sin embargo, su complejidad matemática y experimental ha dificultado hasta ahora la posibilidad de observar sus efectos de forma directa, según los físicos de la UCM.

La propuesta del equipo hispanofrancés busca simplificar este reto. En lugar de diseñar un sistema extremadamente complejo con multitud de interacciones de largo alcance entre partículas, los investigadores demostraron que «una configuración mucho más sencilla puede adquirir propiedades similares mediante una agitación periódica cuidadosamente controlada».

 

Ingeniería de Floquet

La técnica, conocida como ingeniería de Floquet, consiste en someter el sistema a una perturbación repetitiva que modifica su comportamiento colectivo. En la práctica, los científicos utilizan átomos ultrafríos confinados en una red óptica, una estructura creada por haces láser que forman una especie de cristal artificial de luz.

Al «agitar» periódicamente este cristal de luz, el movimiento convencional de los átomos queda suprimido y es sustituido por una dinámica colectiva dominada por interacciones efectivas entre todas las partículas. El resultado es un escenario que reproduce «de forma sorprendente» algunas de las características esenciales del modelo SYK.

«En vez de fabricar un sistema extremadamente complejo, demostramos que basta con agitar periódicamente uno mucho más simple para que aparezca de forma natural la física que buscamos», explicó el investigador del Departamento de Física de Materiales de la UCM y uno de los autores del estudio Charles Creffield.

Las simulaciones numéricas efectuadas por el equipo indicaron que el sistema es capaz de reproducir dos de las huellas más distintivas de esta física extrema: un elevado grado de caos cuántico y una rápida expansión del entrelazamiento cuántico, fenómenos fundamentales para comprender cómo se dispersa la información en sistemas complejos.

 

Tecnologías cuánticas

Estas cuestiones no solo interesan a quienes estudian los agujeros negros. También están relacionadas con algunos de los grandes problemas abiertos de la física contemporánea, desde el comportamiento de materiales superconductores hasta el desarrollo de futuras tecnologías cuánticas.

Uno de los aspectos más destacados del trabajo es, además, su viabilidad práctica. A diferencia de otras propuestas teóricas, la nueva estrategia podría implementarse utilizando plataformas experimentales de átomos fríos ya existentes en numerosos centros de investigación.

«Este trabajo abre la puerta al estudio de comportamientos cuánticos extremos, incluidas las conexiones con los agujeros negros, en entornos de laboratorio altamente controlables», señaló el catedrático de la UCM y coautor del estudio Fernando Sols.

Los investigadores consideraron que este avance puede contribuir a estrechar la distancia que durante décadas ha separado la teoría de la experimentación en algunos ámbitos de la física fundamental. En lugar de observar directamente un agujero negro, algo imposible en condiciones de laboratorio, los científicos pueden construir sistemas que obedezcan reglas matemáticas equivalentes y estudiar cómo evolucionan.

El siguiente objetivo del equipo será trasladar la técnica a gases de átomos fermiónicos, más cercanos al planteamiento original del modelo SYK, además de incorporar distintos grados de desorden controlado y explorar configuraciones de mayor complejidad.

Si esos pasos tienen éxito, los laboratorios de átomos ultrafríos podrían convertirse en una suerte de ventana experimental hacia fenómenos que, hasta hace poco, parecían confinados a las regiones más remotas del cosmos.

Un universo en miniatura construido con láseres y partículas heladas, donde los secretos de los agujeros negros puedan empezar a estudiarse sin necesidad de abandonar la Tierra, así concluyó una de las definiciones de los investigadores.

 

En portada: Recreación del comportamiento teórico de un átomo en laboratorio | Foto de 123RF/asgraphicsb24.

CAB/DR.

Fuente: Agencia Servimedia.