La electrodinámica cuántica (QED) es la teoría cuántica fundamental que rige el comportamiento de las partículas cargadas y la luz en el vacío. La fuerza de las interacciones en QED se cuantifica mediante la constante de estructura fina α, que en nuestro universo es inmutable y eterno (α ~ 1/137). La pequeñez de la constante de estructura fina tiene consecuencias de gran alcance en el mundo físico:determina la cantidad de elementos químicos estables, permite larga distancia, comunicación basada en la luz, etc.

Una de las grandes ideas recientes de la física de la materia condensada es que las teorías similares a QED describen el comportamiento del hielo de espín cuántico, una clase de imanes fraccionados. En lugar de ordenarse en un patrón simple, los giros atómicos en estos sistemas fluctúan en patrones intrincados hasta las temperaturas más bajas mensurables. La fase resultante se caracteriza por la presencia de cargas magnéticas que interactúan con ondas similares a la luz en el fondo del espín.

Investigadores de la Universidad de Boston, El Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y el Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme han llevado a cabo recientemente un estudio que investiga la constante de estructura fina que emerge en la QED del hielo de espín cuántico. Su papel publicado en Cartas de revisión física , muestra que en el hielo de espín cuántico, esta constante fundamental es grande, lo que significa que estos sistemas magnéticos podrían ser ideales para estudiar fenómenos físicos que surgen de interacciones fuertes de partículas.

"Estábamos pensando en las posibles firmas de la QED emergente en el hielo de espín cuántico y descubrimos que las firmas más distintivas involucraban los efectos de las interacciones entre las cargas emergentes y los fotones, "Christopher R. Laumann y Siddhardh C. Morampudi, dos de los investigadores que realizaron el estudio, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Entonces nos dimos cuenta de que el número adimensional básico (la constante emergente de estructura fina) que caracteriza la fuerza de esta interacción aún no se había determinado en ningún trabajo anterior, y los trabajos anteriores solo se habían centrado en caracterizar la velocidad emergente de la luz ".

Laumann, Morampudi y sus colegas se propusieron investigar la constante de estructura fina del hielo de espín cuántico, ya que creían que esto ofrecería una caracterización más completa de su QED. La observación de un valor α relativamente grande fue una agradable sorpresa para ellos, como tal valor mejoraría las firmas mediadas por la interacción de la QED emergente.

"Usando diagonalización exacta a gran escala para obtener el costo de energía de un tubo de flujo eléctrico, pudimos extraer la carga eléctrica, "Dijeron Laumann y Morampudi." Esto nos permitió pasar del modelo de celosía al QED emergente de longitud de onda larga en sistemas de tamaño finito accesibles computacionalmente ".

Las simulaciones numéricas realizadas por Laumann, Morampudi y sus colegas son los primeros en calcular la constante de estructura fina en una QED emergente, específicamente uno realizado en hielo de espín cuántico. El equipo demostró que en el sistema que simularon, la constante α es típicamente un orden de magnitud mayor que la constante de estructura fina de la QED habitual. Además, demostraron que en el hielo de espín cuántico la constante se puede ajustar desde cero hasta el acoplamiento más fuerte con el que se limita la QED.

"La constante de estructura fina de la QED habitual es pequeña y fija según la naturaleza, "Dijeron Laumann y Morampudi." Tener un QED emergente con una constante de estructura fina grande y también sintonizable proporciona un campo de juego agradable para comprender los procesos en QED que están muy suprimidos debido al pequeño acoplamiento ".

Una de las principales herramientas teóricas para estudiar las teorías cuánticas de campos es la teoría de la perturbación. Durante las ultimas décadas, sin embargo, Muchos investigadores han comenzado a explorar qué sucede con las teorías de campo en un acoplamiento fuerte, en los casos en que la teoría de la perturbación no es una construcción particularmente útil.

"Esto ha llevado a una amplia variedad de herramientas no perturbativas cuya eficacia puede probarse si tenemos un campo de juego experimental para QED de acoplamiento fuerte en hielo de espín cuántico". "Dijeron Laumann y Morampudi." Nuestro trabajo también identifica el hielo de espín cuántico como un gran objetivo para los simuladores cuánticos de rápida evolución, con la promesa de descubrir la física interesante de QED de acoplamiento fuerte como recompensa ".

En años recientes, un número creciente de físicos ha comenzado a realizar estudios que investigan candidatos de hielo de espín cuántico, particularmente piroclores de tierras raras. Algunos de los candidatos identificados en estos estudios podrían exhibir interacciones adicionales que hagan que los sistemas se ordenen, en lugar de permanecer en una fase líquida de espín cuántico. La gran constante de estructura fina calculada por Laumann, Morampudi y sus colegas implican la presencia de efectos significativos mediados por interacción, como una gran mejora de la sección transversal de dispersión de neutrones inelástica cerca del umbral.

"Ha habido indicios tentadores de la física correcta en algunos de los materiales, pero el desorden y las pequeñas escalas de energía (que limitan la resolución experimental en la dispersión de neutrones, por ejemplo) han sido factores limitantes hasta ahora, "Dijeron Laumann y Morampudi." En nuestros próximos estudios, planeamos explorar más implicaciones de la constante de gran estructura fina en las posibles realizaciones del hielo de espín cuántico, y avanzar hacia simulaciones de ellos en computadoras cuánticas a corto plazo. Nuestra esperanza es comprender mejor cómo las preguntas abiertas en la QED de acoplamiento fuerte podrían potencialmente responderse en tales entornos ".

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