Físicos japoneses y estadounidenses han utilizado átomos unas 3.000 millones de veces más fríos que el espacio interestelar para abrir un portal a un reino inexplorado del magnetismo cuántico.

"A menos que una civilización extraterrestre esté haciendo experimentos como estos en este momento, cada vez que este experimento se lleva a cabo en la Universidad de Kyoto, está produciendo los fermiones más fríos del universo", dijo Kaden Hazzard de la Universidad de Rice, autor correspondiente de la teoría de un estudio publicado hoy en Física de la Naturaleza . "Los fermiones no son partículas raras. Incluyen cosas como electrones y son uno de los dos tipos de partículas de las que está hecha toda la materia".

Un equipo de Kioto dirigido por el autor del estudio, Yoshiro Takahashi, usó láseres para enfriar sus fermiones, átomos de iterbio, dentro de aproximadamente una milmillonésima de grado del cero absoluto, la temperatura inalcanzable donde todo movimiento se detiene. Eso es alrededor de 3 mil millones de veces más frío que el espacio interestelar, que aún se calienta con el resplandor del Big Bang.

"La recompensa de tener este resfriado es que la física realmente cambia", dijo Hazzard. "La física comienza a volverse más mecánica cuántica y te permite ver nuevos fenómenos".

Los átomos están sujetos a las leyes de la dinámica cuántica al igual que los electrones y los fotones, pero sus comportamientos cuánticos solo se vuelven evidentes cuando se enfrían dentro de una fracción de grado del cero absoluto. Los físicos han utilizado el enfriamiento por láser para estudiar las propiedades cuánticas de los átomos ultrafríos durante más de un cuarto de siglo. Los láseres se utilizan tanto para enfriar los átomos como para restringir sus movimientos a redes ópticas, canales de luz 1D, 2D o 3D que pueden servir como simuladores cuánticos capaces de resolver problemas complejos más allá del alcance de las computadoras convencionales.

El laboratorio de Takahashi usó redes ópticas para simular un modelo de Hubbard, un modelo cuántico de uso frecuente creado en 1963 por el físico teórico John Hubbard. Los físicos utilizan los modelos de Hubbard para investigar el comportamiento magnético y superconductor de los materiales, especialmente aquellos en los que las interacciones entre los electrones producen un comportamiento colectivo, algo así como las interacciones colectivas de los fanáticos de los deportes que animan y realizan "la ola" en estadios llenos de gente.

"El termómetro que usan en Kioto es una de las cosas importantes proporcionadas por nuestra teoría", dijo Hazzard, profesor asociado de física y astronomía y miembro de la Iniciativa Rice Quantum. "Comparando sus medidas con nuestros cálculos, podemos determinar la temperatura. La temperatura récord se logra gracias a una nueva y divertida física que tiene que ver con la altísima simetría del sistema".

El modelo de Hubbard simulado en Kioto tiene una simetría especial conocida como SU(N), donde SU significa grupo unitario especial, una forma matemática de describir la simetría, y N denota los posibles estados de espín de las partículas en el modelo. Cuanto mayor sea el valor de N, mayor será la simetría del modelo y la complejidad de los comportamientos magnéticos que describe. Los átomos de iterbio tienen seis posibles estados de espín, y el simulador de Kioto es el primero en revelar correlaciones magnéticas en un modelo Hubbard SU(6), que son imposibles de calcular en una computadora.

"Esa es la verdadera razón para hacer este experimento", dijo Hazzard. "Porque nos morimos por conocer la física de este modelo SU(N) Hubbard".

El coautor del estudio, Eduardo Ibarra-García-Padilla, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Hazzard, dijo que el modelo de Hubbard tiene como objetivo capturar los ingredientes mínimos para comprender por qué los materiales sólidos se convierten en metales, aislantes, imanes o superconductores.

"Una de las preguntas fascinantes que pueden explorar los experimentos es el papel de la simetría", dijo Ibarra-García-Padilla. "Tener la capacidad de diseñarlo en un laboratorio es extraordinario. Si podemos entender esto, puede guiarnos a fabricar materiales reales con propiedades nuevas y deseadas".

El equipo de Takahashi demostró que podía atrapar hasta 300.000 átomos en su red 3D. Hazzard dijo que calcular con precisión el comportamiento de incluso una docena de partículas en un modelo SU(6) Hubbard está fuera del alcance de las supercomputadoras más poderosas. Los experimentos de Kioto ofrecen a los físicos la oportunidad de aprender cómo funcionan estos complejos sistemas cuánticos observándolos en acción.

Los resultados son un paso importante en esta dirección e incluyen las primeras observaciones de coordinación de partículas en un modelo SU(6) Hubbard, dijo Hazzard.

"En este momento, esta coordinación es de corto alcance, pero a medida que las partículas se enfrían aún más, pueden aparecer fases más sutiles y exóticas de la materia", dijo. “Una de las cosas interesantes acerca de algunas de estas fases exóticas es que no están ordenadas en un patrón obvio, y tampoco son aleatorias. Hay correlaciones, pero si miras dos átomos y preguntas, '¿Están correlacionados?' no los verás. Son mucho más sutiles. No puedes mirar dos o tres o incluso 100 átomos. Tienes que mirar todo el sistema".

Los físicos aún no tienen herramientas capaces de medir tal comportamiento en el experimento de Kioto. Pero Hazzard dijo que ya se está trabajando para crear las herramientas, y el éxito del equipo de Kioto impulsará esos esfuerzos.

"Estos sistemas son bastante exóticos y especiales, pero la esperanza es que al estudiarlos y comprenderlos, podamos identificar los ingredientes clave que deben estar allí en materiales reales", dijo. + Explora más

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