Nuevo estado de la materia documentado: líquidos de espín cuántico
Físicos de Harvard finalmente han documentado experimentalmente un estado exótico de la materia nunca antes visto, que fue teorizado hace casi 50 años. Se denomina líquido de espín cuántico.
El trabajo se describe en un nuevo estudio en la revista Science y marca un gran paso hacia la posibilidad de producir este estado elusivo bajo demanda y obtener una comprensión novedosa de su naturaleza misteriosa.
En 1973, el físico Philip W. Anderson teorizó la existencia del líquido de espín cuántico y, contrariamente al nombre, no tiene nada que ver con los líquidos cotidianos como el agua. En cambio, se trata de imanes que nunca se congelan y de la forma en que giran los electrones en ellos. En los imanes regulares, cuando la temperatura desciende por debajo de cierta temperatura, los electrones se estabilizan y forman una pieza sólida de materia con propiedades magnéticas. En el líquido de espín cuántico, los electrones no se estabilizan cuando se enfrían, no se forman en un sólido y cambian y fluctúan constantemente (como un líquido) en uno de los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos.
Las diferentes propiedades de los líquidos de espín cuántico tienen aplicaciones prometedoras que se pueden utilizar para hacer avanzar las tecnologías cuánticas, como los superconductores de alta temperatura y las computadoras cuánticas. Pero el problema de este estado de la materia ha sido su propia existencia. Nadie lo había visto nunca; al menos, ese había sido el caso durante casi 50 años. Hasta ahora.
Se puede tocar y manipular
"Es un momento muy especial en el campo", dijo en un comunicado Mikhail Lukin, profesor de física y codirector de la Harvard Quantum Initiative (HQI) y uno de los autores principales del estudio. "Realmente puedes tocar y pinchar este estado exótico y manipularlo para comprender sus propiedades ... Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar".
Los aprendizajes de esta investigación científica algún día podrían proporcionar avances para diseñar mejores materiales y tecnología cuántica. Más específicamente, las propiedades exóticas de los líquidos de espín cuántico podrían ser la clave para crear bits cuánticos más robustos, conocidos como qubits topológicos, que se espera que sean resistentes al ruido y la interferencia externa.
"Eso es un sueño en computación cuántica", dijo Giulia Semeghini, becaria postdoctoral en el Centro de Óptica Cuántica Harvard-Max Planck y autora principal del estudio. "Aprender a crear y utilizar esos qubits topológicos representaría un gran paso hacia la realización de ordenadores cuánticos fiables".
El equipo de investigación se propuso observar este estado líquido de la materia utilizando el simulador cuántico programable que el laboratorio desarrolló originalmente en 2017. El simulador es un tipo especial de computadora cuántica que permite a los investigadores crear formas programables como cuadrados, panales o celosías triangulares para diseñar diferentes interacciones y entrelazamientos entre átomos ultrafríos. Se utiliza para estudiar una gran cantidad de procesos cuánticos complejos.
La idea de utilizar el simulador cuántico es poder reproducir la misma física microscópica que se encuentra en los sistemas de materia condensada, especialmente con la libertad que permite la programabilidad del sistema.
"Puedes separar los átomos tanto como quieras, puedes cambiar la frecuencia de la luz láser, realmente puedes cambiar los parámetros de la naturaleza de una manera que no podrías en el material donde estas cosas se estudiaron antes". dijo el coautor del estudio Subir Sachdev, profesor de física Herchel Smith y actual profesor visitante distinguido de Maureen y John Hendricks en el Instituto de Estudios Avanzados. "Aquí, puedes mirar cada átomo y ver lo que está haciendo".
En los imanes convencionales, los giros de los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo siguiendo un patrón regular. En el imán del refrigerador de todos los días, por ejemplo, todos los giros apuntan hacia la misma dirección. Esto sucede porque los giros suelen funcionar en un patrón de casilla de verificación y pueden emparejarse para que puedan apuntar en la misma dirección o alternando, manteniendo un cierto orden.
Los líquidos de espín cuántico no muestran nada de ese orden magnético. Esto sucede porque, esencialmente, se agrega un tercer giro, convirtiendo el patrón de la casilla de verificación en un patrón triangular. Mientras que un par siempre puede estabilizarse en una dirección u otra, en un triángulo, el tercer espín siempre será el electrón impar. Esto lo convierte en un imán "frustrado" en el que los giros del electrón no pueden estabilizarse en una sola dirección.
"Esencialmente, están en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad", dijo Semeghini. "Esta es la base de la superposición cuántica".
Los científicos de Harvard utilizaron el simulador para crear su propio patrón de celosía frustrado, colocando los átomos allí para interactuar y entrelazar. Luego, los investigadores pudieron medir y analizar las cuerdas que conectaban los átomos después de que toda la estructura se enredaba. La presencia y el análisis de esas cadenas, que se denominan cadenas topológicas, significaron que estaban ocurriendo correlaciones cuánticas y que el estado líquido del espín cuántico de la materia había emergido.
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