Físicos de UC Santa Barbara, la Universidad de Maryland y la Universidad de Washington han encontrado una respuesta a la antigua pregunta física:¿Cómo afectan las interacciones entre partículas a la localización dinámica?

"Es una pregunta muy antigua heredada de la física de la materia condensada", dijo David Weld, físico experimental de la UCSB con especialidades en física atómica ultrafría y simulación cuántica. La pregunta cae en la categoría de física de "muchos cuerpos", que cuestiona las propiedades físicas de un sistema cuántico con múltiples partes que interactúan. Si bien los problemas de muchos cuerpos han sido objeto de investigación y debate durante décadas, la complejidad de estos sistemas, con comportamientos cuánticos como la superposición y el entrelazamiento, dan lugar a multitud de posibilidades, lo que hace que sea imposible resolverlos solo mediante el cálculo. "Muchos aspectos del problema están fuera del alcance de las computadoras modernas", agregó Weld.

Afortunadamente, este problema no estaba fuera del alcance de un experimento que involucra láseres y átomos de litio ultrafríos. Entonces, ¿qué surge cuando introduces la interacción en un sistema cuántico desordenado y caótico? Un "estado cuántico extraño", según Weld. "Es un estado que es anómalo, con propiedades que, en cierto sentido, se encuentran entre la predicción clásica y la predicción cuántica que no interactúa".

Los resultados de los físicos se publican en la revista Nature Physics .

'Algo extraño está pasando'

Cuando se trata de un comportamiento extraño y contrario a la intuición, el mundo cuántico no defrauda. Tomemos, por ejemplo, un péndulo normal, que se comportaría exactamente como lo esperaríamos cuando se sometiera a pulsos de energía.

"Si lo pateas y lo agitas hacia arriba y hacia abajo de vez en cuando, un péndulo clásico absorberá energía continuamente, comenzará a moverse por todas partes y explorará todo el espacio de parámetros de forma caótica", dijo Weld.

En los sistemas cuánticos, el caos se ve diferente. En lugar de movimiento, el desorden puede hacer que las partículas se detengan. Y mientras que un péndulo o "rotor" cuántico pateado primero puede absorber energía de las patadas, similar a un péndulo clásico, con patadas repetidas, el sistema deja de absorber energía y la distribución del momento se congela, en lo que se conoce como un estado localizado dinámicamente. Esta localización es muy similar al comportamiento de un sólido electrónico "sucio", en el que el desorden da como resultado electrones inmóviles y localizados, lo que hace que el sólido pase de ser un metal o un conductor (electrones en movimiento) a ser un aislante.

Si bien este estado de localización se ha explorado durante décadas en el contexto de partículas individuales que no interactúan, ¿qué sucede en un sistema desordenado con múltiples electrones que interactúan? Preguntas como esta y aspectos relacionados con el caos cuántico estaban en la mente de Weld y su coautor, el teórico de la Universidad de Maryland Victor Galitski, durante una discusión hace varios años cuando Galitski estaba visitando Santa Bárbara.

"Lo que Víctor planteó fue la pregunta de qué sucede si, en lugar de este sistema cuántico puro que no interactúa y se estabiliza por interferencia, tienes un montón de estos rotores y todos pueden chocar e interactuar entre sí", recordó Weld. "¿Persiste la localización o es destruida por las interacciones?"

"De hecho, es una pregunta muy difícil que se relaciona con los fundamentos de la mecánica estadística y la noción básica de ergodicidad, según la cual la mayoría de los sistemas que interactúan eventualmente se termalizan en un estado universal", dijo Galitski.

Imagina por un momento verter leche fría en café caliente. Las partículas en su taza, con el tiempo y a través de sus interacciones, se organizarán en un estado de equilibrio uniforme que no es ni café caliente ni leche fría. Este tipo de comportamiento, la termalización, se esperaba de todos los sistemas que interactúan. Es decir, hasta hace unos 16 años, cuando se argumentó que se pensaba que el desorden en un sistema cuántico resultaba en la localización de muchos cuerpos (MBL).

"Este fenómeno, que fue reconocido por el Premio Lars Onsager a principios de este año, es difícil de probar rigurosamente teóricamente o establecer experimentalmente", dijo Galitski.

El grupo de Weld tenía la tecnología y la experiencia para arrojar luz sobre la situación, literalmente. En su laboratorio hay un gas de 100.000 átomos de litio ultrafríos suspendidos en una onda estacionaria de luz. Cada átomo representa un rotor cuántico que puede ser impulsado por pulsos láser.

"Podemos usar una herramienta llamada resonancia de Feshbach para mantener los átomos ocultos entre sí, o podemos hacer que reboten entre sí con interacciones arbitrariamente fuertes", dijo Weld. Con solo girar una perilla, los investigadores pudieron hacer que los átomos de litio pasaran de baile en línea a mosh pit y capturar sus comportamientos.

Como era de esperar, cuando los átomos eran invisibles entre sí, tomaron el impulso del láser hasta cierto punto, después de lo cual dejaron de moverse en su estado localizado dinámicamente, a pesar de los impulsos repetidos. Pero cuando los investigadores aumentaron la interacción, no solo disminuyó el estado localizado, sino que el sistema pareció absorber energía de las patadas repetidas, imitando el comportamiento caótico clásico.

Sin embargo, señaló Weld, mientras que el sistema cuántico desordenado en interacción absorbía energía, lo hacía a un ritmo mucho más lento que un sistema clásico.

"Lo que estamos viendo es algo que absorbe energía, pero no tan bien como un sistema clásico", dijo. "Y parece que la energía está creciendo aproximadamente con la raíz cuadrada del tiempo en lugar de linealmente con el tiempo. Entonces, las interacciones no lo hacen clásico; sigue siendo un estado cuántico extraño que exhibe una falta de localización anómala".

Pruebas de caos

El equipo de Weld usó una técnica llamada "eco" en la que la evolución cinética se ejecuta hacia adelante y luego hacia atrás para medir directamente la forma en que las interacciones destruyen la reversibilidad del tiempo. Esta destrucción de la reversibilidad del tiempo es una firma clave del caos cuántico.

"Otra forma de pensar en esto es preguntar:¿Cuánta memoria del estado inicial tiene el sistema después de un tiempo?" dijo el coautor Roshan Sajjad, un estudiante investigador graduado en el equipo de litio. Explicó que, en ausencia de perturbaciones como luz dispersa o colisiones de gases, el sistema debería poder volver a su estado inicial si la física se ejecuta hacia atrás. "En nuestro experimento, invertimos el tiempo invirtiendo la fase de las patadas, 'deshacer' los efectos de la primera serie normal de patadas", dijo. "Parte de nuestra fascinación fue que diferentes teorías habían predicho diferentes comportamientos en el resultado de este tipo de configuración interactiva, pero nadie había hecho el experimento".

"La idea aproximada del caos es que, aunque las leyes del movimiento son reversibles en el tiempo, un sistema de muchas partículas puede ser tan complicado y sensible a las perturbaciones que es prácticamente imposible volver a su estado inicial", dijo el autor principal Alec Cao. El giro fue que en un estado efectivamente desordenado (localizado), las interacciones rompieron un poco la localización, incluso cuando el sistema perdió su capacidad para invertir el tiempo, explicó

"Ingenuamente, uno esperaría que las interacciones arruinaran la inversión del tiempo, pero vimos algo más interesante:un poco de interacción realmente ayuda", agregó Sajjad. "Este fue uno de los resultados más sorprendentes de este trabajo".

Weld y Galitski no fueron los únicos en presenciar este estado cuántico borroso. El físico de la Universidad de Washington Subhadeep Gupta y su equipo realizaron un experimento complementario al mismo tiempo, produciendo resultados similares utilizando átomos más pesados ​​en un contexto unidimensional. Ese resultado se publica junto con los de UC Santa Barbara y la Universidad de Maryland en Nature Physics .

"Los experimentos en UW operaron en un régimen físico muy difícil con átomos 25 veces más pesados ​​restringidos a moverse en una sola dimensión, pero también midieron un crecimiento de energía más débil que el lineal a partir de patadas periódicas, arrojando luz sobre un área donde los resultados teóricos tienen estado en conflicto", dijo Gupta, cuyo grupo colaboró ​​con el teórico Chuanwei Zhang y su equipo en la Universidad de Texas en Dallas.

Estos hallazgos, como muchos resultados físicos importantes, abren más preguntas y allanan el camino para más experimentos de caos cuántico, donde se puede descubrir el codiciado vínculo entre la física clásica y la cuántica.

"El experimento de David es el primer intento de probar una versión dinámica de MBL en un entorno de laboratorio más controlado", comentó Galitski. "Si bien no ha resuelto sin ambigüedades la pregunta fundamental de una forma u otra, los datos muestran que algo extraño está sucediendo".

"¿Cómo podemos entender estos resultados en el contexto de la gran cantidad de trabajo sobre la localización de muchos cuerpos en sistemas de materia condensada?" preguntó Soldadura. "¿Cómo podemos caracterizar este estado de la materia? Observamos que el sistema se está deslocalizando, pero no con la dependencia del tiempo lineal esperada; ¿qué está pasando allí? Esperamos futuros experimentos que exploren estas y otras preguntas". + Explora más

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