La mesura i manipulació de sistemes quàntics individuals (Haroche, Wineland; Premi Nobel de Física 2012)

El fet que els bescanvis energètics siguin quàntics, és a dir no pas continus sinó fets en unitats discretes (per bé que petitíssimes a escala humana) té tota una sèrie de conseqüències en la física, que transmuta de física clàssica a física quàntica. El fet quàntic és al darrera del principi d’incertesa en la determinació de la massa i del moment de partícules en l’escala atòmica i subatòmica. L’experimentació en física quàntica requereix sistemes de “control de partícula” o mètodes que permetin la mesura i el control de sistemes quàntics individuals. Serge Haroche i David J. Wineland han destacat en aquest camp, i per això han estat guardonats amb l’edició del 2012 del Premi Nobel de Física.

Serge Haroche

Serge Haroche (*Casablanca, 1944) es va doctorar el 1971 per la Universitat Pierre i Marie Curie de París. És professor del Collége de France i de l’Escola Normal Superior.

David J. Wineland

David J. Wineland (*Milwaukee, 1944) es va doctorar el 1970 a Harvard. En l’actualitat, dirigeix un grup del National Institute of Standards and Technology, i és professor de la Universitat de Colorado en Boulder.

La trampa de Wineland

A grans trets, la trampa de David J. Wineland permet el control i la mesura d’ions individuals, emprant-hi fotons.

La tècnica de trampa d’ions fou desenvolupada en els anys 1970 per físics com Hans G. Dehmelt i Wolfgang Paul. En el 1975, T. W. Hänsch i A. L. Schawlow proposaven el refredament per efecte Doppler com a eina de control d’àtoms aïllats. Wineland i Dehmelt, en el mateix any, estenien la proposta als àtoms carregats elèctricament, és a dir els ions.

En el 1978, Wineland començava a posar a la pràctica aquesta idea, emprant cations magnesi (Mg+). Paral·lelament, el grup de W. Neuhauser i P. E. Toschek provava el mateix, però utilitzant cations bari (Ba+). En el 1980, aquest grup aconseguí observar un ió individual de Ba+ en una trampa de Paul. L’any següent, Wineland aconseguia el mateix, però amb un ió de Mg+ i amb l’esquema de trampa iònica de Penning (Wineland & Itano, 1981).

Els fotons són les partícules portadores de la interacció electromagnètica. Un ió Mg+ té una càrrega neta positiva. La trampa de Penning (en esquema) permet segrestar fins a un únic ió individual.

La característica bàsica de les trampes iòniques és la combinació de camps elèctrics estàtics i oscil·lants, en unes condicions de buit extrem (pressions inferiors a 10-7 Pa) i de baixa temperatura. En la trampa, hom pot caracteritzar el moviment de l’ió, la qual cosa indica les formes de vibració (estats externs de l’ió) i els seus nivells electrònics (estat quàntic intern de l’ió), a través de com interactuen amb un feix làser. En els anys 1980 i 1990, el grup de Wineland i molts altres contribuïren a perfeccionar aquestes tècniques. En l’actualitat, les trampes iòniques s’utilitzen per crear i transferir una superposició d’estats en un ió, i estudiar el fenomen i les implicacions de la decoherència.

La trampa d’Haroche

La trampa d’Haroche segueix el principi invers a la de Wineland. Ço que hi queda atrapat són fotons, i l’eina per controlar-los i mesurar-los són feixos d’ions.

Més que de trampes, cal parlar de cavitats. En els anys 1980, les cavitats de fotons (o l’electrodinàmica quàntica de cavitats) s’entenien com un model experimental per a l’estudi de propietats d’àtoms com ara l’emissió espontània. Calia construir unes cavitats amb fotons (amb longituds d’ona corresponents a la llum visible, a l’infraroig o a les microones) i introduir-hi els àtoms que hom vol estudiar.

El grup d’Haroche era un dels que treballava en aquest camp. En el 1987 foren capaços d’observar que quan les dimensions de la cavitat s’apropen a la longitud d’ona de la llum emesa per l’àtom, hi ha una supressió de l’emissió espontània (Jhe et al., 1987). En el decurs d’aquests treballs, el grup d’Haroche arribà a construir un oscil·lador quàntic que funcionava a partir de l’emissió estimulada de dos fotons (Brune et al., 1987). Aquest micromàser resultava de l’oscil·lació d’àtoms de rubidi entre els nivells energètics 40S i 39S. En cada moment, el micromàser operava amb tan sols uns pocs àtoms de rubidi, i amb tan sols unes poques desenes de fotons presents simultàniament en la cavitat. Per mesurar la quantitat de fotons en la cavitat, desenvoluparen un mètode quàntic (Brune et al., 1990), que tan sols disset anys després van poder posar a la pràctica (Gleyzes et al., 2007)

Aquesta metodologia els permetia observa de manera continuada un sistema quàntic. Tal com diu la teoria, un sistema quàntic exhibeix salts sobtats entre els seus estats a temps aleatoris. Per detectar aquests canvis, els fotodetectors clàssics no serveixen, ja que es basen en l’absorció (=destrucció) dels propis fotons que observen. Per comptes d’això, el grup d’Haroche presentava un interferòmetre atòmic: l’estat final de l’àtom revela directament la presència de fins a un únic fotó de la cavitat, informant-ne de salts en el nombre fotònic. Per primera vegada, hom s’abocava a l’escenari del naixement, vida i mort individual dels fotons.

En l’actualitat, el grup d’Haroche treballa en l’aplicació d’aquesta metodologia de detecció en sistemes més grans, consistents en desenes de fotons. Això ofereix una eina per investigar els límits entre la física quàntica i la física clàssica. Les dades que forniran aquests experiments ens ajudaran a discriminar entre les diferents interpretacions teòriques de la física quàntica, des de la interpretació de Copenhague o la dels “múltiples-móns” d’Everett, o les interpretacions de base einsteniana.

Aquesta entrada ha esta publicada en 1. L'Univers. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada