Nous simuladors analògics poden facilitar l’estudi de processos dinàmics ultraràpids
Un equip d'investigadors ha proposat teòricament una nova plataforma experimental basada en simulació analògica amb núvols d'àtoms per estudiar la generació d'alts harmònics, un procés dinàmic ultraràpid l’estudi del qual desafia els mètodes computacionals convencionals. El simulador es pot adaptar per abordar una àmplia gamma de fenòmens complexos, obrint la porta a règims que per la teoria i l'experimentació directa resulten difícils d’assolir.
Malgrat tots els èxits en la comprensió de la dinàmica dels electrons a la seva escala de temps natural d'attosegons (18 ordres de magnitud menors que un segon), un dels processos fonamentals centrals d'aquest camp, la generació d'alts harmònics (de l'anglès high harmonic generation o HHG), continua representant un repte per a la simulació d’àtoms freds. Es tracta d’un fenomen altament no lineal en què un sistema absorbeix molts fotons d'un làser entrant i emet un sol fotó d'energia molt major.
Les característiques úniques de l’HHG la converteixen en una font excepcional de radiació ultraviolada extrema i, en conseqüència, de polsos de llum d'attosegons, els quals tenen aplicacions importants en diversos camps com l'òptica no lineal o la ciència dels attosegons.
El principal obstacle que impedeix l'estudi d'aquest procés, a banda de la velocitat ràpida amb què es produeix, és l'elevat nombre de variables implicades. En qualsevol material donat hi són presents molts àtoms i electrons, de manera que estudiar la majoria dels processos químics que hi tenen lloc en tota la seva complexitat requeriria no només descriure tots aquests components, sinó també les seves interaccions amb camps externs i fins i tot entre ells mateixos. Això resulta ser una tasca extremadament desafiant per a qualsevol ordinador clàssic actual. Una ruta alternativa consiteix en utilitzar dispositius quàntics, construint els anomenats simuladors analògics, la naturalesa dels quals els permet captar millor la complexitat del sistema.
Ara, els investigadors de l'ICFO Javier Argüello, Javier Rivera i Philipp Stammer, liderats pel Prof. ICREA de l'ICFO Maciej Lewenstein i en col·laboració amb altres instituts de tot el món (Universitat d'Aarhus, Universitat de Califòrnia i Guangdong Technicon-Institut Tecnològic de Israel) han proposat, en una publicació del Physical Review X Quantum, un simulador analògic per accedir a l'espectre d'emissió de l’HHG utilitzant núvols atòmics ultrafreds. A part de mostrar que era possible una replicació precisa de les característiques clau dels processos de l’HHG als àtoms, també ofereixen detalls sobre com implementar-la en objectius atòmics específics i analitzen les principals fonts d'errors.
El potencial de la simulació analògica
Un simulador analògic permet als científics estudiar un sistema quàntic complex (computacionalment exigent) mitjançant el control i la manipulació d'un de molt més simple, que es pot abordar experimentalment. Tot i això, no totes les opcions són vàlides, ha d'existir una connexió entre ambdós sistemes.
En aquest treball concret, el fenomen complex que van escollir per a analitzar la seva idea va ser la generació d'alts harmònics. Allà, els electrons lligats a l'àtom travessen per efecte túnel la barrera formada pel potencial atòmic de Coulomb i el camp elèctric d'un làser. Després, aquests electrons lliures s'acceleren, provocant l'emissió de radiació de freqüències harmòniques característiques quan es recombinen amb els ions originals. Aquest és lʼespectre dʼemissió de la HHG que els investigadors volien recuperar.
D'altra banda, la conexió a un sistema quàntic molt més simple es va obtenir reemplaçant convenientment certs components. En lloc d'un electró i un potencial nuclear, van proposar treballar amb un gas atòmic que quedava atrapat per un raig làser; i en lloc de la llum entrant i el seu camp elèctric, van suggerir l’aplicació d’un gradient magnètic extern que podia sintonitzar-se a voluntat. Les imatges d'absorció d'aquest sistema dissenyat artificialment coincideixen amb la producció d'emissió desitjada.
Per tant, captant imatges d'absorció del simulador analògic, es pot estudiar indirectament l'espectre d'emissió de la generació atòmica d'alts harmònics.
Una nova plataforma per a la simulació ultrarràpida
Al final, el grup de recerca ha aplanat el camí per demostrar el potencial del seu mètode alternatiu a l’hora d’abordar sistemes complexos que altrament només es podrien aproximar teòricament. Es va desmostrar que els simuladors analògics actuals podien recuperar l’espectre d’emissió de l’HHG, es va establir una correspondència entre els paràmetres experimentals i simulats i fins i tot es va proporcionar un anàlisi experimental exhaustiu.
A més, la plataforma té un avantatge doble. En primer lloc, els elements que emulen el camp entrant i el potencial nuclear es poden sintonitzar fàcilment. I en segon lloc, la simulació també proporciona una ampliació temporal. Això implica un alt nivell d'accessibilitat, ja que es pot evitar l'escala de temps d'attosegons, cosa que permet als científics treballar en un marc molt més lent (i, per tant, pràctic).
L'equip destaca la capacitat d'adaptabilitat del seu enfocament, que no es limita exclusivament a simular l’HHG, sinó que es podrien estendre a altres configuracions més exòtiques. En particular, la simulació de processos ultraràpids, com la dinàmica multielectrònica o la reacció de la matèria a la llum no clàssica, són els que podrien beneficiar-se’n més.