Muchos fenómenos físicos se pueden modelar con matemáticas relativamente simples. Pero, En el mundo cuántico hay una gran cantidad de fenómenos intrigantes que surgen de las interacciones de múltiples partículas, "muchos cuerpos", que son notoriamente difíciles de modelar y simular. incluso con ordenadores potentes. Ejemplos de muchos estados cuánticos del cuerpo sin análogo clásico incluyen superconductividad, superfluidos, Condensación de Bose-Einstein, plasmas de quarks-gluones, etc. Como resultado, muchos modelos de "muchos cuerpos cuánticos" siguen siendo teóricos, con poco respaldo experimental. Ahora, Los científicos de la EPFL y el Paul Scherrer Institut (PSI) han realizado experimentalmente un nuevo estado cuántico de muchos cuerpos en un material que representa un famoso modelo teórico llamado modelo "Shastry-Sutherland". El trabajo está publicado en Física de la naturaleza .

Si bien hay varios modelos unidimensionales de muchos cuerpos que se pueden resolver con exactitud, hay solo un puñado en dos dimensiones (y aún menos en tres). Tales modelos se pueden utilizar como faros, orientar y calibrar el desarrollo de nuevos métodos teóricos.

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

Mohamed Zayed en el laboratorio de Henrik Rønnow en EPFL y Christian Ruegg en PSI descubrieron que la presión podría usarse para sintonizar el material fuera de la fase Shastry-Sutherland de tal manera que la llamada transición de fase cuántica a un cuántico completamente nuevo muchos se alcanzó el estado corporal.

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

Los investigadores pudieron identificar el nuevo estado cuántico mediante 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 desafiante, 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 encontraron que en la nueva fase cuántica, los imanes atómicos aparecen entrelazados cuánticamente en conjuntos de cuatro, los llamados singletes de placa. "Este es un nuevo tipo de transición de fase cuántica, y aunque ha habido una serie de estudios teóricos al respecto, nunca se ha investigado experimentalmente, ", dice Rønnow." Nuestro sistema puede permitir más investigaciones de este estado y la naturaleza de la transición al estado ".

La necesidad de alta presión limita lo que es factible experimentalmente en este momento. Sin embargo, Rønnow 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 entrará en funcionamiento en 2023. El estado de 4 espines en el borato de estroncio y cobre será uno de los primeros experimentos para estas nuevas máquinas. Como siguiente paso, 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 solo ha arañado la superficie de cómo lidiar con ella, ", dice Rønnow." Mejores métodos para abordar los fenómenos cuánticos de muchos cuerpos tendrían implicaciones desde la ciencia de los materiales hasta la tecnología de la información cuántica ".