Un estudio coordinado por físicos brasileños suministró indicios de la existencia de una interacción cuántica aún no comprobada que, bajo ciertas condiciones, podría estar implicada en la enorme ganancia de energía responsable de la aparición de los llamados átomos de Rydberg. Estas estructuras son variantes superexcitadas y gigantes de los átomos tradicionales, con un tamaño hasta mil veces mayor que su dimensión estándar. Su capa exterior de electrones se encuentra mucho más alejada del núcleo atómico que en su estado normal. Los átomos de Rydberg son hipersensibles al influjo de los campos magnéticos y eléctricos, y pueden constituir la base para el desarrollo de sensores más precisos con aplicaciones en el campo de las tecnologías cuánticas, como la computación y las telecomunicaciones.
En experimentos que se llevaron a cabo en el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), los investigadores excitaron átomos de rubidio bajo la acción de un campo electromagnético del rango de las microondas mediante un haz de láser. El láser está compuesto por fotones, partículas de luz que representan la menor cantidad de energía que puede estar implicada en una interacción, un concepto denominado cuanto. Al incrementarse su energía, los átomos de rubidio aumentaron de tamaño al entrar en el estado de Rydberg. En dicho proceso, los físicos recabaron evidencias de que un mismo fotón sería capaz de transferir energía a más de un átomo de rubidio a medida que sus electrones exteriores se excitan, y el campo electromagnético también podría compartir con los átomos el mismo cuanto, el paquete mínimo de energía.
“Aún necesitamos realizar más experimentos para confirmarlo”, dice el físico Luis Gustavo Marcassa, del IFSC, coordinador del estudio, cuyos resultados salieron publicados en diciembre de 2024 en la revista Physical Review A. “Lo que tenemos es una prueba de la cuantización del campo electromagnético, que se mezcla con los átomos de Rydberg”. Se dice que un campo es cuántico cuando deja de describirse como ondas electromagnéticas clásicas para convertirse en un conjunto de fotones, paquetes de energía.
Las interacciones a las que se refiere el artículo no pueden describirse de la manera clásica, en la que un fotón proporciona energía a un electrón: solamente puede hacerse en forma cuántica. “Observamos que dos átomos de rubidio pueden compartir un mismo fotón para realizar una transición energética [pasar de un estado de menor excitación a otro más energético, como el de Rydberg]”, dice el físico Jorge Massayuki Kondo, de la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), otro de los autores del estudio. “Esto nunca se había observado”. También firman el artículo un tercer investigador brasileño, Daniel Varela Magalhães, del IFSC, y otros cuatro investigadores extranjeros como coautores.
En el experimento descrito en el artículo, se colocaron entre 10 y 100 millones de átomos de rubidio en el vacío de una cavidad donde se los sometió a la acción de un rayo láser y al campo de microondas. El láser ralentiza drásticamente el movimiento de las partículas, llevándolas a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto, apenas por encima de -273 grados Celsius (ºC). Junto a una configuración especial del campo magnético, forma una especie de agujero tridimensional en el centro de la cavidad y atrapa en esa zona alrededor del 1 % del total de los átomos, los más fríos. A medida que los mismos se excitan por efecto del campo de microondas, escapan de la trampa y dejan una firma espectral que puede registrarse y analizarse. Para explicar los registros espectrales, los investigadores adaptaron ‒con la ayuda de físicos del exterior‒ un modelo que describe un sistema en el que un átomo transita entre dos niveles de energía en interacción con un campo cuantizado.
“Crearon una excitación colectiva en el interior del sistema átomo-cavidad, una combinación entre el estado atómico y el fotónico. Esto significa que ya no puede hablarse de un estado atómico disociado de la luz de la cavidad: hay un estado entrelazado”, explica el físico Raul Celistrino Teixeira, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), quien no participó en el estudio. “A mi juicio, el aspecto más interesante de este trabajo consiste en comprobar hasta qué punto el modelo propuesto se ajusta a los datos del experimento”, comentó en una entrevista concedida a Pesquisa FAPESP el físico Hannes Bernien, de la Universidad de Chicago, investigador del campo de la física cuántica y estudioso de los átomos de Rydberg, quien tampoco tuvo participación en los experimentos que llevó adelante el equipo del IFSC.
Un concepto del siglo XIX
Los átomos energizados se conocen desde la década de 1880 y llevan el nombre del físico sueco Johannes Rydberg (1854-1919), artífice de la fórmula matemática que describe la excitación atómica. La capa más externa (y energética) de electrones de estos átomos se eleva a órbitas mucho más alejadas de su núcleo en comparación con su estado normal. Los electrones más distantes son más sensibles al influjo de los campos electromagnéticos exteriores. De allí su importancia para el desarrollo de sensores cuánticos. El átomo de rubidio posee 37 electrones, pero solamente uno de ellos se encuentra en el nivel más exterior, en la capa de valencia, que ejerce influencia en la interacción de un átomo con los demás (véanse las ilustraciones). “Si un átomo en su estado normal fuera una pelota de fútbol, un átomo de Rydberg tendría el tamaño de un estadio”, compara Marcassa.
Los átomos de Rydberg han sido producidos en laboratorio desde la década de 1970. A finales de la década de 1980, las cámaras de captura magnetoópticas hicieron posible el estudio de átomos excitados en interacción con campos electromagnéticos. Desde entonces, las investigaciones en esta área fueron en aumento y se lanzaron los primeros productos que se valen de esta variante de átomos gigantes. La alta sensibilidad de los átomos de Rydberg está utilizándose en el desarrollo de emisores y receptores cuánticos, que serán piezas claves de las tecnologías de comunicación del futuro. “Los efectos extremos observados en el estudio de Marcassa pueden dar lugar a sensores más sensibles que los actuales”, considera el físico brasileño Luis Felipe Gonçalves, investigador de la empresa estadounidense Rydberg Technologies. La compañía, cuya sede se encuentra en el estado de Michigan, fabrica dispositivos de comunicación por radiofrecuencia a larga distancia basados en la manipulación de los átomos de Rydberg.
Este artículo salió publicado con el título “Gigantes y sensibles” en la edición impresa n° 349 de marzo de 2025.
Proyecto
Átomos de Rydberg en interacción con campos de microondas (nº 21/06371-7); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigador responsable Luis Marcassa (USP); Inversión R$ 145.756,68.
Artículo científico
KONDO, J. D. M. et al. Multiphoton-dressed Rydberg excitations in a microwave cavity with ultracold Rb atoms. Physical Review A. 2 dic. 2024.
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