Análogo óptico de laboratorio a una lente gravitacional

Dibujo20131027 Analogue of light deflection in a gravitational field and microstructured optical waveguide

La teoría de la relatividad general predice el efecto de lente gravitacional, la curvatura de la luz en la proximidad de un objeto estelar masivo. C. Sheng (Univ. Nanjing, China) y sus colegas han usado una guía de ondas óptica microestructurada alrededor de una microesfera para imitar el espaciotiempo curvo causado por la gravedad y su efecto como lente gravitacional sobre la luz. La microesfera está incrustada en un polímero PMMA que actúa como guía de ondas plana y distorsiona el índice de refracción efectivo de la guía, imitando la curvatura del espaciotiempo. Un modelo de “juguete” (toy model) para estudiar en laboratorio las lentes gravitacionales descritas por la relatividad general. El artículo técnico es C. Sheng et al., “Trapping light by mimicking gravitational lensing,” Nature Photonics, AOP 29 Sep 2013. Recomiendo leer a Ulf Leonhardt, “Transformation optics: Gravitational lens on a chip,” Nature Photonics, AOP 20 Oct 2013.

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Un análogo del mecanismo de Higgs en un gas de átomos de rubidio ultrafríos atrapados en una red óptica

La rotura espontánea de la simetría juega un papel clave en nuestra compresión de la Naturaleza. En teorías cuánticas de campos da lugar a la aparición de bosones de Higgs con masa. Un superfluido neutro bidimensional puede presentar análogos al bosón de Higgs durante la transición de fase cuántica que le lleva a una fase aislante de tipo Mott. Manuel Endres et al. han demostrado que este sistema físico se comporta como una teoría cuántica de campos (relavista) bidimensional. Este tipo de sistemas permite reproducir en laboratorio un fenómeno físico que se observó cuando el universo tenía solo una billonésima de segundo de existencia; las analogías físicas siempre han sido claves para entender muchos fenómenos cuyo estudio directo está fuera de nuestro alcance. En este sentido, el futuro de este trabajo es muy prometedor. El artículo técnico es Manuel Endres, Takeshi Fukuhara, David Pekker, Marc Cheneau, Peter Schauβ, Christian Gross, Eugene Demler, Stefan Kuhr & Immanuel Bloch, “The ‘Higgs’ amplitude mode at the two-dimensional superfluid/Mott insulator transition,” Nature 487: 454–458, 26 July 2012.

En un análogo no relativista, un modo Higgs es una oscilación en amplitud de un campo cuántico que aparece como excitación colectiva en un sistema cuántico multicuerpo como resultado de la rotura espontánea de una simetría continua. Cerca del punto cuántico crítico, la física de estos sistemas se describe como una teoría crítica efectiva invariante Lorentz. La versión mínima de dicha teoría está descrita por un parámetro de orden complejo Ψ = |Ψ|eiΦ cerca de una transición de fase cuántica entre una fase ordenada (|Ψ| > 0) y otra desordenada (|Ψ| = 0). En la fase ordenada, la densidad de energía clásica tiene forma de “sombrero mejicano” y el parámetro de orden tiene un valor mayor que cero en el mínimo del potencial. Su fase, Φ, ha adquirido un valor gracias a una rotura espontánea de la simetría U(1). El desarrollo local del campo alrededor del estado fundamental conduce a dos tipos de modos (excitaciones cuánticas), un modo de Nambu–Goldstone y otro de Higgs, que están relacionados con la fase y la amplitud de las variaciones de Ψ, respectivamente (ver la figura que abre esta entrada). El modo en amplitud se diferencia del modo en fase porque tiene un “salto” (gap), es decir, una masa.

Los autores utilizan un gas átomos de 87Rb (que son bosones) ultrafríos atrapados en una red óptica. Esos sistemas se rigen por el modelo de Bose–Hubbard, parametrizado por la amplitud J del efecto túnel entre los pozos ópticos y la energía de interacción interatómica U; el parámetro de acoplamiento es jJ/U y puede ser fácilmente controlado mediante el cambio en la profundidad de los pozos de la red óptica. La transición de fase cuántica entre superfluido (fase ordenada) y aislante Mott (fase desordenada) ocurre a un valor crítico del acomplamiento jc, como se muestra en la figura de arriba los resultados experimentales están en buen acuerdo con las predicciones de la teoría.

¿Se ha descubierto algo nuevo en este trabajo técnico? Por ahora es pronto para buscar grandes sorpresas en este trabajo que se ha publicado en Nature por lograr algo que antes no se había logrado. Habrá que esperar a su futuro estudio en detalle. Aún así, creo importante destacar que se han observado excitaciones discretas de los modos de Higgs en este sistema confinado similares a las que se esperan en el bosón de Higgs cuando se consideran dimensiones extra compactas en el espaciotiempo.

El “grafeno molecular” y la aparición de campos “pseudomagnéticos” sobre fermiones de Dirac

Este vídeo muestra la síntesis molécula a molécula de un nuevo material llamado “grafeno molecular” utilizando un microscopio de efecto túnel. Estos análogos al grafeno se fabrican manipulando moléculas individuales de monóxido de carbono, CO, que son colocadas sobre un substrato de cobre, Cu(111). Estos materiales tienen algunas propiedades semejantes al grafeno, como la propagación de fermiones de Dirac sin masa, pero con la ventaja adicional que presentan grados de libertad que permiten controlar algunas de estas propiedades (lo que es imposible con el grafeno). ¿Para qué se pueden utilizar estos “grafenos exóticos”? Se supone que acabarán teniendo múltiples aplicaciones tecnológicas (si algún día se logran fabricar de forma eficiente), pero en la actualidad su interés es básico, permitir simular ciertos procesos físicos, como transiciones de fase topológicas o la adquisición de masa por parte de fermiones de Dirac. El artículo técnico es Kenjiro K. Gomes, Warren Mar, Wonhee Ko, Francisco Guinea & Hari C. Manoharan, “Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,” Nature 483: 306-310, 15 March 2012. Nos cuenta su importancia Jonathan Simon, Markus Greiner, “Condensed-matter physics: A duo of graphene mimics,” Nature 483: 282–284, 15 March 2012, que también se hacen eco del artículo de Leticia Tarruell, Daniel Greif, Thomas Uehlinger, Gregor Jotzu, Tilman Esslinger, “Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,” Nature 483: 302–305, 15 March 2012. Me gusta más el artículo de Gomes et al. porque presenta ilustraciones mucho más atractivas.

El grafeno es un material plano formado por una sola capa de átomos organizados en forma de panal de abeja. Los “grafenos moleculares” permiten imitar esta estructura con la posibilidad de introducir defectos, variaciones de la estructura reticular del material. El interés básico de los análogos exóticos al grafeno está en el estudio del comportamiento de una partícula obligada a moverse en una estructura con forma de panal de abeja. Estas partículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa y viajan a la velocidad de la luz. Su estudio se había centrado hasta ahora en el grafeno, pero los “grafenos moleculares” permiten controlar ciertos grados de libertad y estudiar transiciones de fase en las que estos fermiones de Dirac adquieren masa. Estos materiales son análogos físicos de ciertas roturas espontáneas de la simetría y permiten estudiar en el laboratorio fenómenos que de otra forma solo podrían ser estudiados mediante modelos teóricos o computacionales.

Gomes y sus colegas han estudiado la transición de un “grafeno molecular” a una disposición periódica que se conoce como estructura de Kekulé; en esta transición los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa. La teoría predice que esta transición debería ir acompañada de la aparición de un campo gauge; estos físicos han observado que los fermiones tras adquirir masa se comportan como si estuvieran en un campo magnético. La aparición y desaparición de un campo magnético “aparente” (que los autores llaman “campo pseudomagnético”) tiene una ventaja importante. El campo “pseudomagnético” se puede intensificar hasta alcanzar valores tan enormes como 60 T (teslas); si este campo magnético fuera real el material no sería capaz de soportarlo, sin embargo, al ser un campo “pseudomagnéitco” permite estudiar el comportamiento de fermiones de Dirac bajo estas condiciones tan extremas.

El estudio del “grafeno molecular” dará lugar a aplicaciones tecnológicas, pero para mí lo más interesante es que permite un control sobre los fermiones de Dirac en el “grafeno” que permitirá el estudio experimental de fenómenos que hasta ahora solo se podían estudiar de forma teórica.