El comportamiento universal es una propiedad central de las transiciones de fase, que se puede observar, por ejemplo, en imanes que dejan de ser magnéticos a partir de una determinada temperatura. Un equipo de investigadores de Kaiserslautern, Berlín y Hainan, China, ha logrado por primera vez observar un comportamiento tan universal en el desarrollo temporal de un sistema cuántico abierto, un único átomo de cesio en un baño de átomos de rubidio.

Este hallazgo ayuda a comprender cómo los sistemas cuánticos alcanzan el equilibrio. Esto es interesante, por ejemplo, para el desarrollo de tecnologías cuánticas. El estudio ha sido publicado en Nature Communications .

Las transiciones de fase en química y física son cambios en el estado de una sustancia, por ejemplo, el cambio de fase líquida a gaseosa, cuando se cambia un parámetro externo como la temperatura o la presión.

"Los imanes son un buen ejemplo", afirma el profesor Dr. Artur Widera, director de la unidad de Sistemas Cuánticos Individuales de la Universidad Kaiserslautern-Landau (RPTU).

"Los ferromagnetos muestran una magnetización espontánea sin un campo magnético externo, es decir, son inherentemente magnéticos, pero sólo por debajo de una determinada temperatura crítica. Cuando la temperatura aumenta por encima de este punto, el sistema sufre una transición de fase continua; por encima de esta temperatura, el material ya no está magnético."

En un experimento, se puede inducir específicamente un comportamiento universal en una transición de fase cambiando un parámetro como la presión, el magnetismo o la temperatura. Lo especial es que este comportamiento de una cantidad física "puede describirse mediante algunos parámetros críticos", continúa Widera, "que a su vez son independientes de los detalles del sistema considerado".

¿Se puede observar este comportamiento universal también en el mundo cuántico, es decir, a nivel atómico y subatómico?

En el estudio actual, el equipo de investigación de Widera colocó átomos de cesio individuales en un estado cuántico específico y los sumergió en un gas de átomos de rubidio. Esta combinación de un único sistema cuántico (cesio) que interactúa con el baño de rubidio también se denomina en el ámbito especializado sistema cuántico abierto. Tanto los átomos de cesio como los de rubidio se enfriaron hasta casi el cero absoluto.

"A diferencia de las observaciones habituales, en nuestro experimento el tiempo era el parámetro que debía alcanzar un punto crítico o momento crítico", afirma el Dr. Jens Nettersheim, investigador asociado de Widera y coautor del estudio. Para lograrlo, los investigadores tuvieron que excitar el sistema cuántico con una gran cantidad de energía.

"Lo que hemos observado ahora es que la entropía primero aumenta a medida que el sistema se desarrolla con el tiempo", añade Ling-Na Wu, físico teórico que acompañó el proyecto y es el primer autor del estudio.

Los investigadores entienden el término entropía como una medida del desorden de un determinado sistema y, por tanto, también de la posibilidad de que las partículas se ordenen en un sistema, como en este caso los átomos de cesio y rubidio. Cuanto mayor es el desorden en un sistema, mayor es la entropía y viceversa. Wu dice:"Esto sucede hasta que la entropía alcanza su valor máximo, que luego disminuye nuevamente".

Es precisamente en este punto, el momento crítico, cuando comienza el comportamiento universal del sistema cuántico. André Eckardt, profesor de Física Teórica en la Technische Universität (TU) de Berlín, quien dirigió el trabajo teórico de este proyecto, explica:" En este momento sucede lo siguiente:en sentido figurado, el sistema pierde la memoria de lo que sucedió antes, o del estado inicial exacto. La dinámica posterior es universal. En física, esto significa que el comportamiento se puede describir con una fórmula y un parámetro.

El estudio muestra que en los sistemas cuánticos abiertos existe un comportamiento universal con respecto al tiempo. Con este trabajo, los físicos contribuyen a una mejor comprensión del funcionamiento fundamental de estos sistemas. "Aún no está del todo claro cómo estos sistemas cuánticos abiertos liberan energía, es decir, se relajan, y cómo se alcanza exactamente el equilibrio termodinámico", explica Widera.

Muchas aplicaciones técnicas hoy en día sólo funcionan gracias a la tecnología cuántica que llevan incorporada. En el futuro desempeñará un papel cada vez más importante, por ejemplo en ordenadores o sensores cuánticos. Por lo tanto, es importante comprender qué sucede en dichos sistemas y cómo interactúan con su entorno.

El equipo de Widera llevó a cabo los experimentos en RPTU en Kaiserslautern; El trabajo teórico para este estudio fue proporcionado por el grupo de trabajo dirigido por el profesor Dr. André Eckardt del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Berlín, en el que también participó Ling-Na Wu de la Universidad de Hainan en China.

Más información: Ling-Na Wu et al, Indicación de escalamiento crítico en el tiempo durante la relajación de un sistema cuántico abierto, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46054-9

Proporcionado por Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau