La física clásica logra descifrar una nueva fase de la materia

Investigadores de la Universidad de Cambridge usaron modelos informáticos para estudiar posibles nuevas fases de la materia conocidas como cristales de tiempo discreto pretérmicos (DTC). Se pensaba que las propiedades de los DTC pretérmicos dependían de la física cuántica: las extrañas leyes que gobiernan las partículas a escala subatómica. Sin embargo, los investigadores encontraron que se puede utilizar un enfoque más simple, basado en la física clásica, para comprender estos misteriosos fenómenos.

Entender estas nuevas fases de la materia es un paso adelante hacia el control de sistemas complejos de muchos cuerpos, un objetivo de larga data con varias aplicaciones potenciales, como las simulaciones de redes cuánticas complejas. Los resultados se informan en dos artículos conjuntos en Physical Review Letters y Physical Review B.

Cuando descubrimos algo nuevo, ya sea un planeta, un animal o una enfermedad, podemos aprender más al respecto observándolo cada vez más de cerca. Primero se prueban las teorías más simples y, si no funcionan, se intentan hipótesis o métodos más complicados. ”Este pensamos que era el caso de los TTD pretérmicos”, explicó en un comunicado Andrea Pizzi, candidata a doctorado en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, primera autora de ambos artículos. “Pensamos que eran fundamentalmente fenómenos cuánticos, pero resulta que un enfoque clásico más simple nos permite aprender más sobre ellos”.

Los DTC son sistemas físicos muy complejos y aun queda mucho por aprender sobre sus propiedades inusuales. Al igual que un cristal espacial estándar rompe la simetría espacio-traslacional porque su estructura no es la misma en todas partes del espacio, los DTC rompen una clara simetría tiempo-traslacional porque, cuando se “agitan” periódicamente, su estructura cambia con cada “empujón”.

“Podés pensar en ello como un padre empujando a un niño en una hamaca en un patio de recreo”, dijo Pizzi. “Normalmente, el padre empuja al niño, el niño se balancea hacia atrás y el padre lo empuja de nuevo. En física, este es un sistema bastante simple. Pero si hubiera varios columpios en el mismo patio de recreo, y si los niños en ellos estuvieran tomados de la mano, el sistema se volvería mucho más complejo y podrían surgir comportamientos mucho más interesantes y menos obvios. Un DTC pretérmico es uno de esos comportamientos, en el que los átomos, actuando como oscilaciones, solo ‘regresan’ cada segundo o tercer empujón, por ejemplo“.

Predichos por primera vez en 2012, los DTC abrieron un nuevo campo de investigación y se estudiaron en varios tipos, incluso en experimentos. Entre estos, los pretérmicos son sistemas relativamente simples de realizar que no se calientan rápidamente como se esperaría normalmente, sino que exhiben un comportamiento cristalino en el tiempo durante mucho tiempo: cuanto más rápido se agitan, más tiempo sobreviven. Sin embargo, se pensó que se basaban en fenómenos cuánticos.

"Desarrollar teorías cuánticas es complicado, e incluso cuando lo administra, sus capacidades de simulación suelen ser muy limitadas, porque la potencia computacional requerida es increíblemente grande", dijo Pizzi.

Ahora, Pizzi y sus coautores descubrieron que para los DTC pretérmicos pueden evitar el uso de enfoques cuánticos demasiado complicados y, en su lugar, utilizar métodos clásicos mucho más asequibles. De esta forma, los investigadores pueden simular estos fenómenos de una manera mucho más completa. Por ejemplo, ahora pueden simular muchos más componentes elementales, obteniendo acceso a los escenarios que son más relevantes para los experimentos, como en dos y tres dimensiones.

Usando una simulación por computadora, los investigadores estudiaron muchos espines que interactúan, como los niños en las hamacas, bajo la acción de un campo magnético periódico, como el padre que empuja la hamaca, utilizando la dinámica clásica de Hamilton. La dinámica resultante mostró de forma clara y ordenada las propiedades de los DTC pretérmicos: durante mucho tiempo, la magnetización del sistema oscila con un período mayor que el del accionamiento.

“Es sorprendente lo limpio que es este método”, dijo Pizzi. “Debido a que nos permite ver sistemas más grandes, deja muy claro lo que está sucediendo. A diferencia de cuando usamos métodos cuánticos, no tenemos que luchar con este sistema para estudiarlo. Esperamos que esta investigación establezca la dinámica hamiltoniana clásica como un enfoque adecuado para las simulaciones a gran escala de sistemas complejos de muchos cuerpos y abra nuevas vías en el estudio de los fenómenos de desequilibrio, de los cuales los DTC pretérmicos son solo un ejemplo”.

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