¿Qué sucede cuando un físico cuántico está frustrado por las limitaciones de la mecánica cuántica al intentar estudiar átomos densamente empaquetados? En EPFL, obtienes un metamaterial, un materials de ingeniería que exhibe propiedades exóticas.
Ese físico frustrado es el estudiante de doctorado Mathieu Padlewski. En colaboración con Hervé Lissek y Romain Fleury en el Laboratorio de Ingeniería de Oavas de EPFL, Padlewski ha construido un nuevo sistema acústico para explorar materia condensada y sus propiedades macroscópicas, todo lo que elude la naturaleza extremadamente wise que es inherente a los fenómenos cuantos. Además, el sistema acústico se puede ajustar para estudiar propiedades que van más allá de la física de estado sólido. Los resultados se publican en Revisión física B.
“Esencialmente hemos construido un patio de recreo inspirado en la mecánica cuántica que se puede ajustar para estudiar varios sistemas. Nuestro metamaterial consiste en elementos activos altamente sintonizables, lo que nos permite sintetizar fenómenos que se extienden más allá del ámbito de la naturaleza”, cube Padlewski. “Las aplicaciones potenciales incluyen manipular las ondas y la energía guía para las telecomunicaciones, y la configuración puede algún día proporcionar pistas para la cosecha de energía de las olas, por ejemplo”.
Cat de Schrödinger, el enigma cuántico
En la mecánica cuántica, el gato está muerto y vivo dentro de la caja hasta que interfiere con el sistema midiéndolo, lo que se realiza en este caso abriendo la caja. Desde una perspectiva puramente cuántica, el gato está en una superposición de dos estados probables: un estado possible de estar muerto y un estado possible de estar vivo, hasta que abre la caja solo para observar si el gato está realmente muerto o vivo. Un gato no puede estar muerto y vivo al mismo tiempo, y esa es la esencia de Schrödinger Cat, un experimento psychological ideado por Erwin Schrödinger en 1935 que ilustra las complejidades de los conceptos cuánticos cuando se imagina más allá de la escala cuántica, como la escala de un gato.
La naturaleza wise de la física cuántica que hace que la observación de estados sólidos sea tan difícil proviene del acto de medir el sistema, lo que obliga al sistema cuántico a un estado, en lugar de permitir que el sistema exista, ininterrumpido, en una superposición de estados de probabilidad. Dicho esto, los físicos saben cómo investigar los estados electrónicos indirectamente e inferir sus propiedades correspondientes.
Modelado de fenómenos cuánticos con ondas de sonido
Pero hay otro fenómeno para el cual el gato de Schrödinger tiene mucho sentido en el mundo macroscópico, y es uno con el que podemos interactuar: sonido.
Si tomamos el sonido de la voz de uno, por ejemplo, sabemos que la razón por la cual la voz de alguien es única y rica es porque escuchamos todo el espectro de frecuencias. El espectro de frecuencia es característico de una voz dada, pero también explica por qué el piano tiene su timbre único, o por qué la trompeta suena diferente al trombón. En principio, podemos escuchar simultáneamente la frecuencia elementary, también conocida como el estado elementary, además de todas las frecuencias más altas conocidas como armónicas. Tomando el lenguaje de la física cuántica, en realidad estamos escuchando una superposición de muchos estados a la vez. O por analogía con el gato de Schrödinger, el gato está muerto y vivo, ¡y podemos escucharlo!
“Después de todo, las ondas de probabilidad cuántica son olas: ¿por qué no modelarlas con sonido?” cube Padlewski. “Probar los estados electrónicos de un estado sólido, directamente sin perturbación, sería como que una persona ciega pisara una calle concurrida sin un bastón. Pero en acústica, podemos sondear las ondas directamente, en fase y en amplitud sin destruir el estado, lo cual es bueno”.
Ingeniería de un metamaterial acústico
El metamaterial acústico construido en EPFL consiste en una línea de “átomos acústicos”, esencialmente 16 cubos pequeños conectados entre sí con aberturas para permitir la colocación de múltiples altavoces o micrófonos. Los altavoces generan ondas sonoras que se propagarán a través de la línea de átomos acústicos de manera controlada, los micrófonos miden las ondas de sonido para el management de retroalimentación. Los cubos se pueden ver como bloques de construcción para construir sistemas más complejos que van más allá de una línea easy.
“Cuando ve la cóclea, el órgano del oído responsable de la audición, se asemeja a nuestro metamaterial acústico activo en su estructura y funcionalidad”, cube Lissek. “La cóclea consiste en una línea perfecta de células que amplifica las diferentes frecuencias. Nuestro metamaterial podría sintonizarse para funcionar de la misma manera y estudiar problemas auditivos como el tinnitus”.
Hacia una computación analógica inspirada en la cantidad cuántica
Padlewski también está interesado en usar los bloques de construcción de metamateriales para investigar formas de construir una de las primeras computadoras analógicas acústicas capaces de generar estados no separables. Inspirada en el trabajo de Pierre Deymier de la Universidad de Arizona, esta computadora sería esencialmente un equivalente acústico de una computadora cuántica. Permitiría la observación directa de los estados superpuestos sin interferir con el sistema, porque las ondas acústicas no son tan frágiles como las cuánticas.
“Una computadora analógica cuántica acústica sería más como una crimson de cristal, una matriz periódica de células al igual que los átomos están dispuestos en cristales”, agrega Padlewski. “El enfoque acústico para el cálculo cuántico tiene el potencial de ofrecer una forma alternativa de procesar grandes cantidades de información simultáneamente”.
