Las escaleras cuánticas de energía se confirman como realidad tras 40 años de experimentos

Los físicos midieron por primera vez de forma directa la escala de energías que la teoría predijo hace unos 40 años. En una cadena programable de átomos de estroncio, los investigadores observaron niveles de energía con las mismas relaciones estrictas que se derivan de los cálculos de la teoría conforme de campos.

Detrás del nombre complejo hay una idea bastante intuitiva. Cuando un sistema cuántico se acerca al punto de transición de fase, muchas de las pequeñas particularidades de las partículas individuales dejan de determinar su comportamiento. Emergen patrones generales, por lo que sistemas físicos completamente distintos pueden tener la misma estructura de excitaciones.

Los teóricos sabían desde hace tiempo qué secuencia de niveles de energía deben formar ciertos sistemas críticos. La técnica experimental impedía verificar los cálculos de forma directa: los científicos necesitaban controlar muchas partículas a la vez y distinguir con suficiente precisión sus excitaciones colectivas.

Para la prueba, los físicos construyeron cadenas de entre siete y 35 átomos de estroncio-88. Cada átomo era retenido por un haz láser enfocado separado, y con otros láseres las partículas se llevaban al estado de Rydberg. En un átomo fuertemente excitado, el electrón se aleja mucho del núcleo, por lo que los átomos vecinos comienzan a interactuar con especial intensidad. Así, los investigadores obtuvieron un sistema cuántico controlado cuyos parámetros se pueden ajustar casi de un átomo en uno.

A continuación, el campo láser se comenzó a modular ligeramente a distintas frecuencias. Cuando la frecuencia coincidía con la diferencia de energías entre dos estados de toda la cadena, el sistema resonaba y pasaba a un nivel superior. Repitiendo la medición, los físicos reconstruyeron el espectro de excitaciones multipartícula.

Cerca del punto crítico cuántico del modelo de Ising, cuatro niveles principales dieron la relación de energías 2:4:6:8, tal como exigían los cálculos teóricos. El control adicional de secciones individuales de la cadena reveló los niveles 3:5:7, que el estímulo habitual no mostraba. Al final, el experimento reprodujo la secuencia 2:3:4:5:6:7:8.

Una coincidencia en una cadena de longitud fija habría sido insuficiente. Los investigadores repitieron las mediciones para sistemas de distinto tamaño. A medida que aumentaba el número de átomos, las separaciones entre los niveles energéticos disminuían precisamente según la ley que predice la teoría. Los físicos también reconfiguraron el aparato para el modelo de Ising tricrítico y obtuvieron un espectro diferente, que volvió a coincidir con los cálculos.

El trabajo proporciona a los físicos una herramienta para problemas en los que aún no existe una respuesta teórica preparada. El mismo método puede trasladarse a arreglos atómicos más grandes y servir para buscar patrones en sistemas cuánticos demasiado complejos para un cálculo exacto en un ordenador clásico.