Refrigeration of a 1D gas of microwave photons

En el mundo de la física cuántica, los científicos suelen construir diminutos circuitos hechos de metales superconductores para atrapar y controlar la luz. Estos circuitos actúan como laboratorios en miniatura donde los fotones, las partículas de luz, pueden ser hechos interactuar entre sí de formas que son imposibles en la naturaleza. Para estudiar estas interacciones, los investigadores necesitan que la luz sea extremadamente fría, idealmente situada en su estado de menor energía posible. Normalmente, esto se logra colocando todo el circuito dentro de un refrigerador masivo que enfría todo a una temperatura justo por encima del cero absoluto. Sin embargo, este método estándar tiene un defecto significativo: a medida que el circuito se enfría, la luz en su interior simplemente desaparece. Los fotones se desvanecen en el frío, dejando a los científicos con un sistema vacío que no pueden estudiar. Esto crea un dilema para quienes intentan simular materiales cuánticos complejos o probar nuevas teorías, porque necesitan un sistema que sea tanto frío como lleno de luz.

Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Múnich ha propuesto una forma ingeniosa de resolver este problema. Diseñaron un método para enfriar un flujo de fotones de microondas sin forzarlos a desaparecer. En lugar de intentar congelar todo el sistema y perder la luz, diseñaron un mecanismo específico que actúa como una calle de sentido único para la energía. Al conectar un extremo de su línea de transmisión a un componente especial y con pérdidas, crearon un proceso donde los fotones de alta energía se ven obligados a descender a niveles de energía más bajos. Al descender, liberan su exceso de energía en un canal de "desecho" separado que la disipa rápidamente hacia el entorno. Crucialmente, este proceso no destruye los fotones; simplemente los mueve a un estado más calmado, permitiendo que el gas de luz alcance una temperatura muy inferior a la que el propio refrigerador puede proporcionar, manteniendo intacto el número total de fotones.

Los investigadores modelaron esta configuración utilizando un cable largo de una sola dimensión que soporta muchas frecuencias diferentes de luz. En un extremo, conectaron un dispositivo no lineal hecho de bucles superconductores, conocido como elemento Josephson. Este dispositivo era impulsado por una señal externa para crear una interacción específica donde un fotón en un modo de alta frecuencia podía convertirse espontáneamente en un fotón en un modo de baja frecuencia y en un tercer fotón en el canal de desecho. El canal de desecho fue diseñado para ser muy permeable, lo que significa que vertería inmediatamente cualquier energía que recibiera al entorno circundante. Esto creó un flujo continuo donde los fotones eran constantemente reubicados de alta energía a baja energía, enfriando eficazmente el gas. El equipo descubrió que este proceso de enfriamiento diseñado compite con la tendencia natural del sistema a calentarse y perder fotones hacia el entorno. Al equilibrar cuidadosamente estas dos fuerzas, predijeron un estado estacionario donde la luz permanece en el sistema pero se establece en una temperatura mucho más fría que la del refrigerador que contiene el dispositivo.

Uno de los hallazgos más sorprendentes de su análisis es cómo este enfriamiento cambia el comportamiento de la luz de una manera que desafía la física estándar. En un sistema de equilibrio normal, enfriar un gas unidimensional de luz suele hacer que los fotones desaparezcan. Pero en este escenario diseñado, la energía total del sistema está ligada a la temperatura del entorno, mientras que el número de fotones es preservado por el mecanismo de enfriamiento. Este desajuste obliga al sistema a comportarse de manera diferente: a medida que la luz se enfría, el número total de fotones aumenta de hecho para compensar la menor energía por partícula. Los investigadores calcularon que, para configuraciones experimentales realistas, esto podría permitir la preparación de un gas de cientos de fotones de microondas a temperaturas tan bajas como unos pocos décimos de milikelvin. Esto es significativamente más frío que la temperatura base de los refrigeradores de dilución típicamente utilizados en estos experimentos, que suelen situarse alrededor de los veinte milikelvin.

El estudio también reveló un nuevo tipo de transición de fase, un cambio repentino en el estado del sistema que no ocurre en el equilibrio ordinario. A medida que el enfriamiento se vuelve más efectivo, los fotones comienzan a acumularse en el estado de menor energía posible, formando un condensado. En un sistema unidimensional estándar, tal acumulación no se espera en absoluto. Sin embargo, debido a que la configuración de los investigadores preserva el número de fotones mientras reduce la energía, el sistema se ve forzado a este estado condensado. El equipo utilizó simulaciones por computadora para mostrar que esta transición es nítida y distinta, con la mayoría de los fotones reuniéndose en el estado fundamental mientras que los modos de mayor energía permanecen relativamente vacíos. Este comportamiento imita la formación de un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia donde las partículas actan como una única entidad cuántica, pero ocurre bajo condiciones que son imposibles de lograr solo con un enfriamiento pasivo.

Para asegurar que sus ideas no fueran meramente teóricas, los investigadores desarrollaron los detalles específicos del circuito necesarios para construir este dispositivo. Describieron cómo utilizar un tipo específico de bucle superconductor, llamado SNAIL, para crear la interacción no lineal necesaria. Al aplicar un flujo magnético externo cuidadosamente cronometrado a este bucle, podrían sintonizar la interacción para que resonara con las diferencias de frecuencia específicas entre los modos de luz. Sus cálculos mostraron que, incluso con las imperfecciones y el ruido esperados en un laboratorio real, el sistema permanecería estable. Señalaron que, si bien los efectos residuales de los materiales del circuito podrían limitar el rendimiento, el mecanismo central es lo suficientemente robusto como para ser demostrado con la tecnología actual. El trabajo sugiere que este enfoque podría ser una herramienta poderosa para la simulación cuántica, permitiendo a los científicos estudiar sistemas complejos de muchos cuerpos con luz en un régimen que antes era inaccesible.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá del simple enfriamiento de la luz. Al demostrar que es posible diseñar un reservorio que enfríe un sistema sin cambiar el número de partículas, los investigadores han abierto un nuevo camino para el control de los estados cuánticos. Esto podría permitir la creación de estados de materia estables y fríos que son necesarios para probar teorías de la gravedad cuántica o simular materiales exóticos. La capacidad de alcanzar temperaturas de sub-milikelvin para un gas de fotones, manteniendo una alta densidad de partículas, resuelve un cuello de botella de larga data en el campo. Los investigadores enfatizan que, aunque sus resultados se basan actualmente en modelos teóricos detallados y simulaciones, los componentes necesarios para construir tal dispositivo ya están disponibles en los circuitos superconductores modernos. Esto hace que la transición de la teoría al experimento sea una cuestión de ingeniería en lugar de la necesidad de una nueva física, ofreciendo un camino claro y alcanzable para avanzar en las tecnologías cuánticas.