En algunos materiales, hay fases entre las que no es posible una transición porque están protegidas por una cierta forma de simetría. Los físicos se refieren a estos como fases topológicas. Un ejemplo de esto es la fase Haldane, llamada así por el ganador del Premio Nobel de física de 2016, Duncan Haldane, que se produce en las cadenas antiferromagnéticas de espín-1. Un equipo de investigadores de MPQ ahora ha logrado realizar este exótico estado de la materia en un sistema simple de átomos ultrafríos. Usando un microscopio de gas cuántico, llevaron los espines atómicos a la forma deseada, midieron las propiedades del sistema y así encontraron el orden interno oculto típico de la fase Haldane. Sus resultados se publican en Nature .

Cualquier materia ocurre en diferentes fases, que pueden fusionarse entre sí. Un ejemplo de esto es el agua, que existe en forma líquida, como hielo o vapor, dependiendo de las condiciones externas. Las diferentes fases físicas tienen la misma composición química, pero diferente grado de orden interno. Si la temperatura o la presión cambian, por ejemplo, el agua cambia a una fase diferente en un punto determinado. Sin embargo, en algunos materiales, hay fases entre las que no es posible una transición porque están protegidas por una cierta forma de simetría, una propiedad del sistema que, por lo tanto, permanece sin cambios, por ejemplo, durante una reflexión o rotación. Solo rompiendo la simetría es posible una transición de fase. Los físicos se refieren a esto como fases topológicas, cuya investigación en los últimos años ha llevado a una comprensión más profunda de la estructura de los sistemas cuánticos.

Medición de la fase de Haldane

Hasta la fecha, tales propiedades casi solo han sido accesibles en modelos y cálculos teóricos o mediante mediciones indirectas en sólidos. Pero ahora, un equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching ha logrado generar un tipo de fase topológica especial y ejemplar en el laboratorio y analizarla experimentalmente. Los científicos del Departamento de Sistemas Cuánticos de Muchos Cuerpos de MPQ, dirigidos por el Prof. Dr. Immanuel Bloch y el Dr. Timon Hilker, crearon la denominada fase Haldane. Lleva el nombre del físico británico Duncan Haldane, quien describió las fases topológicas de los sistemas cuánticos por primera vez y recibió el Premio Nobel de Física por ello en 2016 junto con otros dos investigadores.

Haldane centró su atención, entre otras cosas, en la posible existencia de una fase topológica en una cadena de partículas antiferromagnéticas de espín-1. Un espín es una propiedad de la mecánica cuántica de partículas como los electrones o los átomos, que se puede interpretar de forma sencilla como el momento angular de la partícula cuando gira alrededor de su propio eje. En un material antiferromagnético, los giros prefieren que otros giros tengan una dirección de rotación diferente en su vecindad inmediata.

Esto puede llevar a un ordenamiento periódico de los espines que, sin embargo, es invisible en los sistemas de espín-1 en las medidas clásicas. La predicción teórica decía que, sin embargo, hay un orden, pero que está "oculto". Para detectarlo, todos los espines tendrían que medirse de forma individual y simultánea, lo que no es posible en los sólidos. Pero los investigadores de MPQ utilizaron materiales artificiales en los que los giros están mucho más separados. Allí, produjeron una cadena de espín-1 con las características descritas por Haldane.

El truco con los pares de giros

"Hasta ahora, esto era difícil de realizar", dice Sarah Hirthe. Es por eso que el Ph.D. La candidata al MPQ, junto con su colega Dominik Bourgund y otros miembros del equipo de Garching, recurrió a un truco:"Creamos una cadena de spin-1 de manera indirecta construyéndola a partir de spins con el valor ½, de los cuales añadió dos a cada uno", explica Bourgund. De esta manera, se crearon celdas con espín entero que se alinearon en una cadena.

Para realizar esta estructura especial, el equipo utilizó el llamado microscopio de gas cuántico. Un dispositivo de este tipo se puede utilizar, por ejemplo, para estudiar las propiedades magnéticas de átomos individuales que previamente se han dispuesto de cierta manera. Por lo tanto, los científicos también hablan de un simulador cuántico, con el que la materia se construye artificialmente a partir de sus componentes básicos. "Para hacer esto, usamos ondas estacionarias de luz láser que forman una especie de red para los átomos", explica Sarah Hirthe. Luego, esta red se moldea en la forma deseada con la ayuda de más láseres e innumerables espejos pequeños y móviles.

"Para los experimentos sobre la fase topológica de Haldane, colocamos átomos en una red óptica bidimensional", informa el físico. "En el vacío y a una temperatura cercana al cero absoluto, los átomos se ordenaron exactamente en la forma dictada por la luz". Los investigadores eligieron una estructura reticular que le dio a los átomos, junto con sus giros, la forma de una escalera, con dos "patas" y "peldaños" en el medio. "Los peldaños de estas llamadas escaleras de Fermi-Hubbard conectaban cada uno dos espines atómicos para formar celdas unitarias con espín 1", explica Dominik Bourgund. "En este arreglo, estábamos usando un concepto conocido en física teórica como el modelo AKLT".

Una escalera atómica con giros de borde 'colgantes'

"Lo más destacado del experimento fue que adaptamos especialmente los bordes del sistema", dice Hirthe:las dos patas de la escalera cuántica estaban desplazadas entre sí por un átomo. De esta manera, los espines semienteros de los átomos podrían combinarse en un desplazamiento diagonal para formar celdas unitarias. La consecuencia de esta forma:giros individuales sin un compañero directo "colgados" en ambos extremos del sistema, llamados estados de borde en la jerga técnica. "Dichos giros y sus momentos magnéticos pueden asumir diferentes orientaciones sin ningún aporte de energía adicional", explica Dominik Bourgund. De esta manera, le dan al sistema propiedades características basadas en la simetría especial, las características típicas de la fase Haldane. A modo de comparación, los investigadores de Max Planck también crearon una fase topológica "trivial" sin estados de borde.

Para analizar las características de las dos fases, los científicos midieron la magnetización tanto de los espines individuales como del sistema completo de todos los átomos a lo largo de una cuerda mental bajo el microscopio cuántico de gases. Solo de esta manera fue posible encontrar el orden interno "oculto" previsto. "Nuestros resultados confirman las propiedades topológicas esperadas tanto del sistema general como de los estados de borde", señala Timon Hilker, quien dirige el proyecto. "Esto demuestra:hemos hecho que la estructura compleja sea accesible para realizar mediciones a través de un sistema simple".

¿Base sólida para la computación cuántica?

Con sus resultados, los investigadores de Max Planck no solo han sentado las bases para verificar experimentalmente las predicciones teóricas sobre las fases topológicas. Sus nuevos hallazgos también podrían encontrar una aplicación práctica en el futuro, en computadoras cuánticas. Su función se basa en "qubits", unidades informáticas fundamentales en forma de estados cuánticos. La deficiencia en la realización técnica hasta el momento es su baja estabilidad:si los qubits pierden su valor, los datos también se pierden. Si pudieran representarse mediante fases topológicas, que son bastante robustas frente a interferencias externas debido a su estrecha conexión con una simetría fundamental, esto podría simplificar significativamente la computación con una computadora cuántica. + Explora más

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