La geometria de la xarxa òptica indueix fluctuacions anòmales en els condensats de Bose-Einstein

Les fluctuacions són fonamentals en els sistemes físics, ja que impulsen les transicions de fase i limiten el control dels sistemes quàntics. Per això, no és sorprenent que els científics estiguin tan interessats a estudiar-les. Una de les plataformes més adequades són els condensats de Bose-Einstein atòmics, on un gran nombre d’àtoms ocupa l’estat d’energia més baixa i exhibeix de manera natural fluctuacions intrigants.

Un article recent a Physical Review Letters presenta la primera investigació sobre les fluctuacions del nombre de partícules en un BEC integrat en una xarxa òptica. En combinar l’expertesa teòrica del Donostia International Physics Center de Sant Sebastià (Espanya), la Universitat Adam Mickiewicz de Poznań (Polònia) i els investigadors de l’ICFO, el Dr. Zahra Jalali-Mola i el Dr. Utso Bhattacharya, dirigits pel Prof. ICREA Maciej Lewenstein, amb el suport experimental de la Universitat d’Hamburg i la Universitat Tècnica de Dortmund (Alemanya), l’equip ha pogut observar fluctuacions fortament anòmales en el nombre d’àtoms del condensat, alhora que ha revelat com el confinament en la xarxa influeix profundament en aquestes fluctuacions.

A diferència de treballs previs sobre BEC continus, on els àtoms es mouen lliurement dins d’una trampa harmònica, l’estudi actual atrapa els àtoms en punts discrets que formen un patró triangular mitjançant una xarxa òptica. La xarxa es combina amb un potencial harmònic tridimensional, que confina els àtoms a cada posició de la xarxa en regions allargades, amb forma de tubs.

“Aquesta geometria altera la manera com els àtoms es mouen i interactuen, provocant que les fluctuacions escalin de manera inusual amb el nombre total de partícules”, afirma el Prof. Christof Weitenberg de la Universitat Tècnica de Dortmund, autor principal de l’article.

Per observar aquest efecte, l’equip experimental va refredar, atrapar i bolcar àtoms de rubidi a la xarxa. Variant la temperatura i el nombre inicial d’àtoms, els investigadors van monitorar la transició de fase d’un gas normal cap a un BEC. Posteriorment, van utilitzar microscòpia d’ones de matèria per obtenir imatges del condensat i determinar el nombre d’àtoms, la temperatura i la fracció condensada. Paral·lelament, l’ICFO, el Donostia International Physics Center i la Universitat Adam Mickiewicz van liderar l’esforç teòric, realitzant simulacions numèriques que combinaven dos marcs teòrics diferents, els resultats de les quals van coincidir satisfactòriament amb les observacions experimentals.

Segons el primer autor, el Dr. Zahra Jalali-Mola, “aquests resultats avancen substancialment la nostra comprensió del paper de les interaccions i de la geometria del confinament en les fluctuacions del condensat”. Això, al seu torn, ens acosta un pas més a revelar nous fenòmens quàntics de molts cossos en sistemes de xarxes i, a llarg termini, podria permetre aplicacions en metrologia quàntica.

Referència:

Zahra Jalali-Mola, et. al., Anomalous fluctuations of Bose-Einstein condensates in optical lattices, Phys. Rev. Lett. (2025)

DOI: https://doi.org/10.1103/95pq-6r5g

Agraïments:

This work was funded by Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) via Research Unit FOR 5688, Project No. 521530974, and via the cluster of excellence AIM, EXC 2056—project ID 390715994 as well as by ’Hamburg Quantum Computing’, financed by the city of Hamburg and the European Union. U.B. acknowledges financial support of the IBM Quantum Researcher Program. R.W.C. acknowledges support from the Polish National Science Centre (NCN) under Maestro Grant No. DEC- 2019/34/A/ST2/00081. T.G. acknowledges funding by the Department of Education of the Basque Government through the IKUR Strategy, through BasQ (project EMISGALA), and through PIBA_2023_1_0021 (TENINT), as well as by the Agencia Estatal de Investigación (AEI) through Proyectos de Generación de Conocimiento PID2022-142308NA-I00 (EXQUSMI), and that this work has been produced with the support of a 2023 Leonardo Grant for Researchers in Physics, BBVA Foundation. ICFO-QOT group acknowledges support from: European Research Council AdG NOQIA; MCIN/AEI (PGC2018-0910.13039/501100011033, CEX2019-000910- S/10.13039/501100011033, Plan National FIDEUA PID2019-106901GB-I00, Plan National STAMEENA PID2022-139099NB, I00, project funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “European Union NextGenerationEU/PRTR & quot; (PRTRC17. I1), FPI); QUANTERA DYNAMITE PCI2022- 132919, QuantERA II Programme co-funded by European Union’s Horizon 2020 program under Grant Agreement No 101017733; Ministry for Digital Transformation and of Civil Service of the Spanish Government through the QUANTUM ENIA project call - Quantum Spain project, and by the European Union through the Recovery, Transformation and Resilience Plan - NextGenerationEU within the framework of the Digital Spain 2026 Agenda; MICIU/AEI/10.13039/501100011033 and EU (PCI2025-163167); Fundació Cellex; Fundació Mir-Puig; Generalitat de Catalunya (European Social Fund FEDER and CERCA program; Barcelona Supercomputing Center MareNostrum (FI-2023-3-0024); Funded by the European Union. (HORIZON-CL4-2022-QUANTUM-02-SGA PASQuanS2.1, 101113690, EU Horizon 2020 FET-OPEN OPTOlogic, Grant No 899794, QU-ATTO, 101168628), EU Horizon Europe Program (This project has received funding from the European Union’s Horizon Europe research and innovation program under grant agreement No 101080086 NeQSTGrant Agreement 101080086 —NeQST); ICFO Internal “QuantumGaudi” project.