Desde agua hirviendo hasta convertirse en vapor hasta cubitos de hielo derritiéndose en un vaso, todos hemos visto el fenómeno conocido como transición de fase en nuestra vida cotidiana. Pero hay otro tipo de transición de fase que es mucho más difícil de ver, pero igual de cruda:las transiciones de fase cuánticas.

Cuando se enfrían hasta cerca del cero absoluto, ciertos materiales pueden sufrir estas transiciones de fase cuántica, lo que puede hacer que un físico se quede boquiabierto. El material puede pasar de ser magnético a no magnético, o puede adquirir repentinamente el superpoder de conducir electricidad sin perder energía en forma de calor.

Las matemáticas detrás de estas transiciones son difíciles de manejar incluso para las supercomputadoras, pero una nueva Physical Review A Un estudio de la Universidad de Chicago sugiere una nueva forma de trabajar con estos cálculos complicados, que eventualmente podría generar avances tecnológicos. El atajo extrae solo la información más importante en la ecuación y crea un "mapa" de todas las posibles transiciones de fase en el sistema que se está simulando.

"Esta es una forma potencialmente poderosa de ver las transiciones de fase cuántica que se puede usar con computadoras tradicionales o cuánticas", dijo David Mazziotti, químico teórico del Departamento de Química y el Instituto James Franck de la Universidad de Chicago y autor principal. del estudio.

Él y otros científicos piensan que si podemos comprender completamente la física compleja que está en juego detrás de las transiciones de fase cuántica, podríamos abrir puertas a nuevas tecnologías. Descubrimientos similares en el pasado, por ejemplo, han llevado a las máquinas de resonancia magnética y los transistores que hacen posibles las computadoras y los teléfonos modernos.

Un enfoque simplificado

Los cambios de fase con los que está familiarizado, como la evaporación y la condensación, ocurren debido a los cambios de temperatura. Pero las transiciones de fase cuántica se desencadenan por alguna interferencia en su entorno, como un campo magnético.

El fenómeno ocurre como resultado de muchos electrones que actúan en relación unos con otros, un tipo de interacción que cae dentro de un subcampo notoriamente complejo conocido como física "fuertemente correlacionada". Tradicionalmente, para simular estas transiciones de fase cuántica, los científicos deben crear un modelo que incorpore las posibilidades de cada electrón. Pero la potencia informática necesaria para ejecutar estas simulaciones se sale de control muy rápidamente.

Se cree que las computadoras cuánticas se adaptan mejor a este tipo de problemas que las computadoras convencionales, pero incluso este método tiene sus obstáculos:por ejemplo, estos problemas crean una tonelada de datos que luego deben traducirse nuevamente al lenguaje de las computadoras "normales". para que los científicos trabajen con ellos.

Entonces, los investigadores querían ver cómo podían simplificar el cálculo sin perder precisión.

En lugar de crear una simulación que calcule cada variable individual en un sistema cuántico dado, encontraron un enfoque diferente:sustituir un conjunto de números que describe las posibles interacciones entre cada par de electrones. Esto se denomina "matriz de densidad reducida de dos electrones".

"Al medir el conjunto que describe la matriz de densidad reducida de dos electrones, terminamos creando un mapa de todas las diferentes fases que puede experimentar el sistema cuántico", explicó el estudiante graduado Sam Warren, el primer autor del estudio.

Este "mapa" en sí mismo, dijo, también ofrece beneficios útiles:"Le permite ver transiciones que de otro modo podrían perderse, y crea una visualización realmente poderosa que le permite captar fácil y rápidamente una visión general de alto nivel del sistema. "

El equipo intentó usar el método para modelar varios tipos diferentes de transiciones de fase y descubrió que era tan preciso como el método tradicional con mayor cantidad de datos.

"Nos brinda la física fundamental que necesitamos para comprender el sistema, al tiempo que minimiza las demandas informáticas", dijo la estudiante graduada LeeAnn Sager-Smith, la segunda autora del estudio.

Mazziotti espera que el método sea útil no solo para ejecutar simulaciones en computadoras cuánticas, sino también para desarrollar nuestra comprensión de las transiciones de fase cuánticas en general. "Hay algunas áreas que han sido poco exploradas porque son muy difíciles de modelar", dijo. "Espero que este enfoque pueda abrir algunas puertas nuevas". + Explora más

Nuevo y poderoso método para explorar las transiciones de fase en sistemas cuánticos fuertemente correlacionados