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Paquete de ondas troyanas

Animación de la evolución del paquete de ondas troyano
Simulación clásica del paquete de ondas troyano en el microordenador doméstico ZX Spectrum de 1982. El paquete se aproxima mediante el conjunto de puntos inicialmente localizados aleatoriamente dentro del pico de una gaussiana y que se mueven según las ecuaciones de Newton . El conjunto permanece localizado. Para la comparación, se realiza la segunda simulación cuando la intensidad del campo eléctrico (rotativo) polarizado circularmente es igual a cero y el paquete (puntos) se extiende completamente alrededor del círculo.

Un paquete de ondas troyano es un paquete de ondas que no es estacionario ni se propaga. Es parte de un sistema creado artificialmente que consta de un núcleo y uno o más paquetes de ondas de electrones, y que está altamente excitado bajo un campo electromagnético continuo. Su descubrimiento como una de las contribuciones significativas a la teoría cuántica le valió a Iwo Bialynicki-Birula la Medalla Wigner 2022 [1].

El fuerte campo electromagnético polarizado retiene o "atrapa" cada paquete de ondas de electrones en una órbita seleccionada intencionalmente (capa de energía). [2] [3] Derivan sus nombres de los asteroides troyanos en el sistema Sol-Júpiter. [4] Los asteroides troyanos orbitan alrededor del Sol en la órbita de Júpiter en sus puntos de equilibrio lagrangiano L4 y L5, donde están bloqueados en fase y protegidos de la colisión entre sí, y este fenómeno es análogo a la forma en que el paquete de ondas se mantiene unido.

Conceptos e investigaciones

El concepto de paquete de ondas troyano se deriva de un área floreciente de la física que manipula átomos e iones a nivel atómico creando trampas de iones . Las trampas de iones permiten la manipulación de átomos y se utilizan para crear nuevos estados de la materia, incluidos líquidos iónicos , cristales de Wigner y condensados ​​de Bose-Einstein . [5] Esta capacidad de manipular las propiedades cuánticas directamente es clave para el desarrollo de nanodispositivos aplicables, como puntos cuánticos y trampas de microchips. En 2004 se demostró que es posible crear una trampa que en realidad es un solo átomo. Dentro del átomo, se puede manipular el comportamiento de un electrón. [6]

Durante experimentos realizados en 2004 con átomos de litio en estado excitado, los investigadores lograron localizar un electrón en una órbita clásica durante 15.000 órbitas (900 ns). No se estaba expandiendo ni dispersando. Este "átomo clásico" se sintetizó "atando" el electrón mediante un campo de microondas al que su movimiento está bloqueado en fase. El bloqueo de fase de los electrones en este sistema atómico único es, como se mencionó anteriormente, análogo a los asteroides bloqueados en fase de la órbita de Júpiter. [7]

Las técnicas exploradas en este experimento son una solución a un problema que data de 1926. Los físicos de esa época se dieron cuenta de que cualquier paquete de ondas localizado inicialmente se extendería inevitablemente alrededor de la órbita de los electrones. Los físicos notaron que "la ecuación de onda es dispersiva para el potencial de Coulomb atómico". En la década de 1980, varios grupos de investigadores demostraron que esto era cierto. Los paquetes de ondas se extendían por todas las órbitas e interferían coherentemente entre sí. Recientemente, la innovación del mundo real realizada con experimentos como los paquetes de ondas troyanos es la localización de los paquetes de ondas, es decir, sin dispersión. La aplicación de un campo electromagnético circular polarizado, a frecuencias de microondas, sincronizado con un paquete de ondas de electrones, mantiene intencionalmente los paquetes de ondas de electrones en una órbita de tipo Lagrange. [8] [9] Los experimentos de paquetes de ondas troyanos se basaron en trabajos previos con átomos de litio en un estado excitado. Se trata de átomos que reaccionan de forma sensible a los campos eléctricos y magnéticos, tienen períodos de desintegración relativamente prolongados, y electrones que, a todos los efectos, operan en órbitas clásicas. La sensibilidad a los campos eléctricos y magnéticos es importante porque permite el control y la respuesta mediante el campo de microondas polarizado. [10]

Más allá de los paquetes de ondas de un solo electrón

En física, un paquete de ondas es una breve "ráfaga" o "envoltura" de acción ondulatoria que viaja como una unidad. Un paquete de ondas se puede analizar o sintetizar a partir de un conjunto infinito de ondas sinusoidales componentes de diferentes números de onda , con fases y amplitudes tales que interfieren de manera constructiva solo en una pequeña región del espacio y de manera destructiva en el resto del espacio. [11]

El siguiente paso lógico es intentar pasar de los paquetes de ondas de un solo electrón a más de un paquete de ondas de electrones . Esto ya se había logrado en átomos de bario , con dos paquetes de ondas de electrones. Estos dos estaban localizados. Sin embargo, eventualmente crearon dispersión después de colisionar cerca del núcleo. Otra técnica empleaba un par de electrones no dispersivos, pero uno de ellos tenía que tener una órbita localizada cerca del núcleo. La demostración de los paquetes de ondas troyanos de dos electrones no dispersivos cambia todo eso. Estos son el siguiente paso análogo de los paquetes de ondas troyanos de un electrón, y están diseñados para átomos de helio excitados. [12] [13]

En julio de 2005 se crearon átomos con paquetes de ondas de dos electrones coherentes, estables y no dispersos. Se trata de átomos excitados similares al helio, o puntos cuánticos de helio (en aplicaciones de estado sólido ), y son análogos atómicos (cuánticos) del problema de los tres cuerpos de la física clásica de Newton , que incluye la astrofísica actual . Al mismo tiempo, los campos magnéticos y electromagnéticos polarizados circularmente estabilizan la configuración de dos electrones en el átomo de helio o el punto cuántico de helio (con centro de impurezas). La estabilidad se mantiene en un amplio espectro y, debido a esto, la configuración de los paquetes de ondas de dos electrones se considera verdaderamente no dispersiva. Por ejemplo, con el punto cuántico de helio, configurado para confinar electrones en dos dimensiones espaciales, ahora existe una variedad de configuraciones de paquetes de ondas troyanas con dos electrones y, a partir de 2005, solo una en tres dimensiones. [14] En 2012 se llevó a cabo un paso experimental esencial que no solo generó sino que bloqueó los paquetes de ondas troyanas en una frecuencia cambiada adiabáticamente y expandió los átomos como una vez predijeron Kalinski y Eberly . [15] Permitirá crear dos paquetes de ondas troyanas de Langmuir de electrones en helio mediante la excitación secuencial en un campo Stark adiabático capaz de producir la aureola circular de un electrón sobre He+
primero y luego poner el segundo electrón en un estado similar. [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ Bialynicki-Birula, Iwo; Kalinski, Matt; Eberly, JH (1994). "Puntos de equilibrio de Lagrange en mecánica celeste y paquetes de ondas no propagadas para electrones de Rydberg fuertemente impulsados" (PDF) . Physical Review Letters . 73 (13): 1777–1780. Bibcode :1994PhRvL..73.1777B. doi :10.1103/PhysRevLett.73.1777. PMID  10056884.
  2. ^ Bialynicka-Birula, Zofia; Bialynicki-Birula, Iwo (1997). "Decaimiento radiativo de paquetes de ondas troyanas" (PDF) . Physical Review A . 56 (5): 3623. Bibcode :1997PhRvA..56.3623B. doi :10.1103/PhysRevA.56.3623.
  3. ^ Kalinski, Maciej; Eberly, JH (1996). "Paquetes de ondas troyanas: teoría de Mathieu y generación a partir de estados circulares". Physical Review A . 53 (3): 1715–1724. Bibcode :1996PhRvA..53.1715K. doi :10.1103/PhysRevA.53.1715. PMID  9913064.
  4. ^ Kochański, Piotr; Bialynicka-Birula, Zofia; Bialynicki-Birula, Iwo (2000). "Expresión del campo electromagnético en una cavidad por electrones en estados troyanos". Physical Review A . 63 (1): 013811. arXiv : quant-ph/0007033v1 . Código Bibliográfico :2000PhRvA..63a3811K. doi :10.1103/PhysRevA.63.013811. S2CID  36895794.
  5. ^ Andrews, MR; CG Townsend; H.-J. Miesner; DS Durfee; DM Kurn; W. Ketterle (1997). "Observación de interferencia entre dos condensados ​​de Bose". Science . 275 (5300): 637–641. CiteSeerX 10.1.1.38.8970 . doi :10.1126/science.275.5300.637. PMID  9005843. S2CID  38284718. 
  6. ^ Maeda, H. y Gallagher, TF (2004). "Paquetes de ondas no dispersantes". Phys. Rev. Lett . 92 (13): 133004. Bibcode :2004PhRvL..92m3004M. doi :10.1103/PhysRevLett.92.133004. PMID  15089602.
  7. ^ Maeda, H.; DVL Norum; TF Gallagher (2005). "Manipulación de un electrón atómico en una órbita clásica mediante microondas". Science . 307 (5716): 1757–1760. Bibcode :2005Sci...307.1757M. doi :10.1126/science.1108470. PMID  15705805. S2CID  12153532.Publicado originalmente en Science Express el 10 de febrero de 2005
  8. ^ Stroud, CR Jr. (2009). "Una solución astronómica a un viejo problema cuántico". Física . 2 (19): 19. Bibcode :2009PhyOJ...2...19S. doi : 10.1103/Physics.2.19 .
  9. ^ Murray, CD; Dermot, SF (2000). Dinámica del sistema solar. Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57597-3.
  10. ^ Metcalf Research Group (8 de noviembre de 2004). «Rydberg Atom Optics». Universidad Stoney Brook. Archivado desde el original el 26 de agosto de 2005. Consultado el 30 de julio de 2008 .
  11. ^ Joy Manners (2000). Física cuántica: una introducción. CRC Press. pp. 53–56. ISBN 978-0-7503-0720-8.
  12. ^ Brodsky, M.; Zhitenev, NB; Ashoori, RC; Pfeiffer, LN; West, KW (2000). "Localización en desorden artificial: dos puntos cuánticos acoplados". Physical Review Letters . 85 (11): 2356–9. arXiv : cond-mat/0001455 . Código Bibliográfico :2000PhRvL..85.2356B. doi :10.1103/PhysRevLett.85.2356. PMID  10978009. S2CID  22967562.
  13. ^ Berman, D.; Zhitenev, N.; Ashoori, R.; Shayegan, M. (1999). "Observación de fluctuaciones cuánticas de carga en un punto cuántico". Physical Review Letters . 82 (1): 161–164. arXiv : cond-mat/9803373 . Código Bibliográfico :1999PhRvL..82..161B. doi :10.1103/PhysRevLett.82.161. S2CID  26475397.
  14. ^ Kalinski, Matt; Hansen, Loren; David, Farrelly (2005). "Paquetes de ondas de dos electrones no dispersivos en un átomo de helio". Physical Review Letters . 95 (10): 103001. Bibcode :2005PhRvL..95j3001K. doi :10.1103/PhysRevLett.95.103001. PMID  16196925.
  15. ^ Kalinski, M.; Eberly, J. (1997). "Guiando órbitas electrónicas con luz chirriante". Optics Express . 1 (7): 216–20. Bibcode :1997OExpr...1..216K. doi :10.1364/OE.1.000216. PMID  19373404.
  16. ^ Wyker, B.; Ye, S.; Dunning, FB; Yoshida, S.; Reinhold, CO; Burgdörfer, J. (2012). "Creación y transporte de paquetes de ondas troyanas" (PDF) . Physical Review Letters . 108 (4): 043001. Bibcode :2012PhRvL.108d3001W. doi : 10.1103/PhysRevLett.108.043001 . PMID  22400833.

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