A engenharia Floquet ajusta as interações de moléculas ultrafrias e produz dinâmicas de torção de dois eixos

As interações entre spins quânticos fundamentam alguns dos fenômenos mais interessantes do universo, como supercondutores e ímãs. No entanto, os físicos têm dificuldade em projetar sistemas controláveis ​​em laboratório que repliquem essas interações.

Agora, em um artigo publicado recentemente Natureza artigo, JILA e NIST Fellow e Professor de Física da Universidade do Colorado em Boulder Jun Ye e sua equipe, juntamente com colaboradores do grupo de Mikhail Lukin na Universidade Harvard, usaram pulsos periódicos de micro-ondas em um processo conhecido como engenharia Floquet, para ajustar interações entre moléculas ultrafrias de potássio-rubídio em um sistema apropriado para estudar sistemas magnéticos fundamentais. Além disso, os pesquisadores observaram dinâmicas de torção de dois eixos dentro de seu sistema, o que pode gerar estados emaranhados para detecção quântica aprimorada no futuro.

Neste experimento, os pesquisadores manipularam moléculas ultrafrias de potássio-rubídio, que são polares. Como moléculas polares são uma plataforma promissora para simulações quânticas, as interações moleculares ajustáveis ​​usando engenharia de Floquet podem abrir novas portas para a compreensão de outros sistemas quânticos de muitos corpos.

“Há muito interesse em usar esses sistemas quânticos, especialmente [with] moléculas polares — pode haver sensibilidade a muitos novos efeitos físicos porque as moléculas têm uma rica estrutura energética que depende de muitas constantes físicas diferentes”, explica o aluno de pós-graduação do JILA e primeiro autor do estudo, Calder Miller. “Então, se pudermos projetar suas interações, em princípio, podemos criar estados emaranhados que dão melhor sensibilidade à nova física.”

Implementando a engenharia Floquet

A engenharia de floquet surgiu como uma técnica útil para conduzir interações dentro de sistemas físicos. Esse método age como uma “luz estroboscópica quântica”, que pode criar diferentes efeitos visuais, como fazer objetos parecerem se mover em câmera lenta ou até mesmo ficar parados, ajustando a velocidade e a intensidade dos flashes.

Da mesma forma, ao usar pulsos periódicos de micro-ondas para acionar o sistema, os cientistas podem criar diferentes efeitos quânticos controlando como as partículas interagem.

“Em nossa antiga configuração, éramos limitados no número de pulsos que podíamos conduzir”, diz Annette Carroll, uma estudante de pós-graduação da JILA na equipe de pesquisa de Ye e uma colega autora deste estudo. “Então, trabalhamos com a loja de eletrônicos para desenvolver um gerador de forma de onda arbitrária baseado em FPGA, que nos permite aplicar milhares de pulsos agora. Isso significa que não apenas podemos projetar uma sequência de pulsos que remova ruído de partícula única, mas também podemos modificar as interações no sistema.”

Antes de implementar a engenharia de Floquet, os pesquisadores primeiro codificaram informações quânticas nos dois estados rotacionais mais baixos das moléculas (embora as moléculas tenham muito mais estados). Usando um pulso de micro-ondas inicial, as moléculas foram colocadas em uma superposição quântica desses dois estados de “spin”.

Após codificar as informações, os pesquisadores usaram a técnica de engenharia Floquet para ver se conseguiam ajustar tipos específicos de interações quânticas, conhecidas como modelos de spin XXZ e XYZ. Esses modelos descrevem como os spins quânticos inerentes das partículas interagem entre si, o que é fundamental para entender materiais magnéticos e outros fenômenos de muitos corpos.

Enquanto os físicos usam uma esfera de Bloch construída matematicamente para mostrar como os spins evoluem nesses modelos, pode ser mais fácil visualizar as moléculas mudando seu padrão de dança com base em como elas interagem com seus vizinhos, ou parceiros de dança. Esses dançarinos moleculares podem alternar entre puxar ou empurrar seus parceiros, o que, em um nível quântico, pode ser equiparado a mudanças na orientação do spin.

No estudo, a “luz estroboscópica quântica”, ou engenharia Floquet, cutucou essas mudanças nas interações entre moléculas, que os pesquisadores verificaram que produziram dinâmicas de spin semelhantes às geradas pelo ajuste fino das interações usando um campo elétrico aplicado. Além disso, os pesquisadores controlaram precisamente a sequência de pulsos para realizar interações menos simétricas que não podem ser geradas usando campos elétricos.

Fazendo a torção (de dois eixos)

Os pesquisadores também observaram que sua técnica produzia uma dinâmica de torção de dois eixos.

A torção de dois eixos envolve empurrar e puxar os spins quânticos ao longo de dois eixos diferentes, o que pode levar a estados altamente emaranhados. Esse processo é valioso para o avanço de medições de detecção e precisão, pois permite a criação eficiente de estados de spin comprimido. Esses estados reduzem a incerteza quântica em um componente de um sistema de spin enquanto a aumentam em outro componente ortogonal, levando a uma sensibilidade aprimorada em experimentos de espectroscopia.

“Foi bem emocionante quando vimos as assinaturas iniciais de torção de dois eixos”, diz Miller. Não tínhamos certeza se conseguiríamos fazer funcionar, mas tentamos, e um dia e meio depois, ficou bem claro que tínhamos um sinal.”

O conceito de torção de dois eixos foi proposto no início da década de 1990, mas sua realização em dois laboratórios do JILA teve que esperar até 2024. Além deste trabalho de Ye e sua equipe, o JILA e o NIST Fellow e professor de física da Universidade do Colorado em Boulder, James Thompson, e sua equipe usaram uma abordagem completamente diferente para trabalhar em átomos — eletrodinâmica quântica de cavidade, ou QED de cavidade — também demonstrando a torção de dois eixos este ano.

Embora os pesquisadores não tenham tentado detectar o emaranhamento em seu sistema, eles planejam fazê-lo no futuro.

“O próximo passo mais lógico é melhorar nossa detecção para que possamos realmente verificar a geração de estados emaranhados”, acrescenta Miller.