Una nueva fase de la materia se cree que es comprensible solo usando la física cuántica, se puede estudiar con métodos clásicos mucho más simples.

Investigadores de la Universidad de Cambridge utilizaron 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 un enfoque más simple, basado en la física clásica, se puede utilizar para comprender estos misteriosos fenómenos.

Comprender 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 simulaciones de redes cuánticas complejas. Los resultados se informan en dos artículos conjuntos en Cartas de revisión física y Revisión física B .

Cuando descubrimos algo nuevo, si es un planeta, un animal, o una enfermedad, podemos aprender más sobre él mirándolo más y más de cerca. Primero se prueban las teorías más simples, y si no funcionan se intentan teorías o métodos más complicados.

"Esto era lo que pensamos que era el caso de los DTC pretérmicos, "dijo Andrea Pizzi, un doctorado candidato en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, primer autor 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 todavía hay mucho que aprender sobre sus propiedades inusuales. Como la forma en 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 simetría traslacional en el tiempo distintiva porque, cuando se 'agita' periódicamente, su estructura cambia con cada "empujón".

"Puedes pensar en ello como un padre empujando a un niño en un columpio en un patio de recreo, "dijo Pizzi." Normalmente, el padre empuja al niño, el niño se balanceará hacia atrás, y el padre los 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 unos con otros, entonces 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 columpios, solo 'regresa' cada segundo o tercer empujón, por ejemplo."

Previsto por primera vez en 2012, Los DTC han abierto un nuevo campo de investigación, y se han estudiado en varios tipos, incluso en experimentos. Entre estos, Los DTC 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, cuanto más sobreviven. Sin embargo, se pensaba que se basaban en fenómenos cuánticos.

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

Ahora, Pizzi y sus coautores han descubierto 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 manera, los investigadores pueden simular estos fenómenos de una forma mucho más completa. Por ejemplo, ahora pueden simular muchos más componentes elementales, acceder a los escenarios más relevantes para los experimentos, como en dos y tres dimensiones.

Usando una simulación por computadora, los investigadores estudiaron muchos giros que interactúan, como los niños en los columpios, bajo la acción de un campo magnético periódico, como el padre que empuja el columpio, utilizando la dinámica clásica de Hamilton. La dinámica resultante mostró de una manera ordenada y clara 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 pasando. 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 ".

Los coautores de Pizzi en los dos artículos, quienes estuvieron recientemente en Cambridge, son el Dr. Andreas Nunnenkamp, ahora en la Universidad de Viena, y el Dr. Johannes Knolle, ahora en la Universidad Técnica de Munich.

Mientras tanto, en UC Berkeley, El grupo de Norman Yao también ha estado utilizando métodos clásicos para estudiar los CDT pretérmicos. Notablemente, los equipos de Berkeley y Cambridge han abordado simultáneamente la misma cuestión. El grupo de Yao publicará sus resultados en breve.