Primera observación experimental de un nuevo estado cuántico

 

Primera observación experimental de un nuevo estado cuántico

Espectrómetro de masas usado en este estudio
EPFL/PSI
Actualizado 17/07/2017 18:28:33 CET

   MADRID, 17 Jul. (EUROPA PRESS) -

   Un nuevo tipo de entrelazamiento ha sido observado por primera vez de forma experimental en un material cuántico 2D, por científicos del EPFL y el Instituto Paul Scherrer (PSI).

   Esta nueva modelación "cuántica de muchos cuerpos" ha sido demostrada en un material que representa un famoso modelo teórico llamado modelo "Shastry-Sutherland". El trabajo se publica en Nature Physics.

   Muchos fenómenos físicos pueden ser modelados con matemáticas relativamente simples. Pero en el mundo cuántico hay un gran número de fenómenos intrigantes que surgen de las interacciones de múltiples partículas, notoriamente difíciles de modelar y simular incluso con potentes ordenadores.

   Ejemplos de muchos estados corporales sin análogo clásico incluyen la superconductividad, los superfluidos, la condensación de Bose-Einstein, los plasmas de quark-gluón, etc. Como resultado, muchos modelos "cuánticos de muchos cuerpos" siguen siendo teóricos, con poco respaldo experimental.

   Si bien hay varios modelos unidimensionales de muchos cuerpos que pueden resolverse exactamente, sólo hay un puñado de dos dimensiones (e incluso menos en tres). Estos modelos pueden ser utilizados como faros, guiando y calibrando el desarrollo de nuevos métodos teóricos.

   El modelo de Shastry-Sutherland es uno de los pocos modelos 2D que tienen una solución teórica exacta, que representa el entrelazamiento cuántico por parejas de momentos magnéticos en una estructura de red cuadrada. Cuando se concibió, el modelo de Shastry-Sutherland parecía una construcción teórica abstracta, pero notablemente se descubrió que este modelo se realiza experimentalmente en el material Sr2Cu(BO3)2.

   Mohamed Zayed en el laboratorio de Henrik Ronnow en el EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana), y Christian Ruegg en el PSI descubrieron que la presión podría ser utilizada para afinar el material lejos de la fase de Shastry-Sutherland de tal manera que una fase de la llamada fase cuántica a un estado cuántico de muchos cuerpos completamente nuevo.

   A diferencia de las transiciones de fase clásicas como el hielo (sólido) que se funde en agua líquida y luego se evapora como gas, las transiciones de fase cuántica describen los cambios en las fases cuánticas a la temperatura cero absoluta (273,15 ° C). Se producen debido a las fluctuaciones cuánticas que son provocadas por cambios en los parámetros físicos, en este caso la presión.

   Los investigadores fueron capaces de identificar el nuevo estado cuántico utilizando la espectroscopía de neutrones, que es una técnica muy poderosa para investigar las propiedades magnéticas de materiales cuánticos y materiales tecnológicos por igual. La combinación de espectroscopia de neutrones y altas presiones es muy difícil, y este experimento es uno de los primeros en hacerlo para un estado cuántico complejo.

   En el modelo de Shastry-Sutherland, los imanes atómicos -que surgen de los giros de los electrones del átomo- están entrelazados cuánticamente en pares de dos. Los investigadores descubrieron que en la nueva fase cuántica los imanes atómicos aparecen entrelazados cuánticamente en conjuntos de cuatro - los llamados 'singlets' de plaquetas. "Este es un nuevo tipo de transición de fase cuántica, y aunque ha habido una serie de estudios teóricos sobre el mismo, nunca ha sido investigado experimentalmente", dice Ronnow. "Nuestro sistema puede permitir investigaciones adicionales de este estado y la naturaleza de la transición al estado".

   La necesidad de alta presión limita lo que es experimentalmente factible en este momento. Sin embargo, Ronnow y Ruegg están construyendo un nuevo espectrómetro de neutrones (CAMEA) en el Instituto Paul Scherrer, que estará listo a finales de 2018, así como otro en la Fuente Europea de Espalación en Suecia, que estará operativo en 2023. El estado de 4 espin en borato de cobre de estroncio estará entre los primeros experimentos para estas nuevas máquinas. Como paso siguiente, los experimentos que combinan presión y campos magnéticos pueden dar acceso a fases aún no descubiertas en materiales cuánticos.

   "La física cuántica de muchos cuerpos sigue siendo un desafío donde la teoría sólo ha arañado la superficie de cómo lidiar con ella", dice Ronnow. "Mejores métodos para abordar los fenómenos cuánticos de muchos cuerpos tendrían implicaciones desde la ciencia de los materiales a la tecnología cuántica de la información".

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