El comportamiento de los imanes cuánticos microscópicos ha sido durante mucho tiempo un tema enseñado en conferencias de física teórica. Sin embargo, investigar la dinámica de los sistemas que están muy fuera de equilibrio y verlos "en vivo" ha sido difícil hasta ahora. Ahora, los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching han logrado precisamente esto, utilizando un microscopio de gas cuántico. Con esta herramienta, los sistemas cuánticos se pueden manipular y luego generar imágenes con una resolución tan alta que incluso los átomos individuales son visibles. Los resultados de los experimentos sobre cadenas lineales de espines muestran que la forma en que se propaga su orientación corresponde a la llamada superdifusión Kardar-Parisi-Zhang. Esto confirma una conjetura que surgió recientemente de consideraciones teóricas.

Un equipo de físicos formado por el Dr. Johannes Zeiher y el Prof. Immanuel Bloch tiene ojos en objetos que otros casi nunca llegan a ver. Los investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching utilizan el llamado microscopio de gas cuántico para rastrear procesos en la pequeña escala de la física cuántica. Tal instrumento permite, con la ayuda de átomos y láseres, crear específicamente sistemas cuánticos con las propiedades deseadas e investigarlos con alta resolución. En estos experimentos, los investigadores también se centran en los fenómenos de transporte:cómo se mueven los objetos cuánticos bajo ciertas condiciones externas.

El equipo ahora ha hecho un sorprendente descubrimiento experimental. Los investigadores pudieron demostrar que el transporte unidimensional de espines (el término "espín" significa una propiedad cuántica magnética específica de los átomos y otras partículas) se asemeja a fenómenos macroscópicos en ciertas áreas. En su mayor parte, los procesos en el reino cuántico y en el mundo cotidiano difieren significativamente. "Pero nuestro trabajo revela una conexión interesante entre los sistemas de espín de la mecánica cuántica en los átomos fríos y los sistemas clásicos, como el crecimiento de colonias bacterianas o la propagación de incendios forestales", dice Johannes Zeiher, líder de grupo en la división Quantum Many-Body Systems de MPQ. "Este descubrimiento es completamente inesperado y apunta a una conexión profunda en el campo de la física del no equilibrio que aún no se comprende bien".

Los físicos se refieren a tal analogía teórica entre el movimiento aleatorio en los sistemas cuánticos y clásicos como "universalidad". En este caso específico, se trata de la universalidad de Kardar-Parisi-Zhang (KPZ), un fenómeno previamente conocido solo por la física clásica.

El exponente revelador

Para observar el fenómeno microscópicamente, el equipo de Garching primero enfrió una nube de átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto. De esa forma, se podrían descartar movimientos debidos al calor. Luego encerraron los átomos ultrafríos en un potencial "en forma de caja" especialmente formado, formado por una disposición de pequeños espejos. "Usamos esto para estudiar la relajación de una sola pared de dominio magnético en una cadena de 50 espines dispuestos linealmente", explica David Wei, investigador del grupo de Johannes Zeiher. El muro de dominio separa áreas con orientación idéntica de espines vecinos entre sí. Los investigadores primero crearon la pared de dominio para el experimento utilizando un nuevo truco, mediante el cual se generaba un "campo magnético efectivo" al proyectar luz. Al hacerlo, los investigadores pueden suprimir fuertemente los acoplamientos entre espines, "bloqueándolos" efectivamente en su lugar.

La relajación dentro de la cadena de espines se produjo después de que los acoplamientos entre espines se activaron de manera controlada y, como se vio después, siguió un patrón característico. "Esto se puede describir matemáticamente mediante una ley de potencia con el exponente 3/2", dice Wei, un indicio de la conexión con la universalidad de KPZ. Se proporcionó más evidencia de esta relación cuando los investigadores detectaron el movimiento de giros individuales, que se reveló a través del microscopio cuántico de gases.

"Esta alta precisión fue la base para una evaluación estadística detallada", dice Zeiher. “El sorprendente curso de difusión del espín que mostró nuestro experimento corresponde en su forma matemática aproximadamente a la propagación de una mancha de café en un mantel, por ejemplo”, explica el físico de Max Planck. Un equipo de teóricos sospechó hace unos dos años que podía existir una conexión tan asombrosa sobre la base de consideraciones teóricas. Sin embargo, aún faltaba la confirmación experimental de esta hipótesis.

Un viejo modelo asombra a los físicos

Para la descripción de los fenómenos de espín de la mecánica cuántica, los físicos han estado utilizando el llamado modelo de Heisenberg con mucho éxito durante mucho tiempo (pero fue solo recientemente que los fenómenos de transporte de espín pudieron describirse teóricamente dentro de este modelo). "Nuestros resultados muestran que aún es posible obtener nuevos conocimientos sorprendentes incluso dentro de un marco teórico establecido", enfatiza Johannes Zeiher. "Y son una prueba de cómo la teoría y el experimento se fertilizan en física".

Los resultados que ahora ha logrado el equipo en Garching no son solo de valor académico. También podrían ser útiles para aplicaciones técnicas tangibles. Por ejemplo, los giros también constituyen la base de ciertas formas de computadoras cuánticas. El conocimiento de las propiedades de transporte de los portadores de información podría ser de importancia crítica para la realización práctica de tales arquitecturas informáticas novedosas.

El estudio aparece en Science . + Explora más

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