Exploración del Magnetismo Cuántico con Átomos SU(N) Cercanos al Cero Absoluto

Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation

El cero absoluto es la temperatura a la que se detiene toda la dinámica física. Sin embargo, las leyes de la física no permiten alcanzar el cero absoluto. Este hecho se desprende de una característica fundamental de la mecánica cuántica, según la cual siempre se producen fluctuaciones a nivel cuántico y las partículas cuánticas siempre tienen suficiente energía para continuar su movimiento dinámico, a diferencia de lo que ocurre en un sistema clásico. Un sistema de este tipo contiene energía mecánica cuántica incluso en el cero absoluto y esta energía se denomina técnicamente energía del punto cero. Sin embargo, los físicos pueden alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto en un laboratorio avanzado. Entre los ejemplos en los que es habitual trabajar cerca del cero absoluto se encuentran fenómenos cuánticos como la condensación de Bose-Einstein, la superconductividad, la superfluidez, etc.

Ahora, en otra situación, físicos de Japón y Estados Unidos han logrado enfriar átomos de iterbio (un elemento que también se utiliza en la fabricación de relojes atómicos) cerca de una milmillonésima de grado del cero absoluto, como se informa en el comunicado de prensa de la Universidad de Rice. Para hacerse una idea de lo fría que es, se puede comparar con la temperatura del espacio interestelar, que es de unos 2,7 Kelvin. Hay que tener en cuenta que esta temperatura del espacio se determina midiendo la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB). En el nuevo trabajo, los investigadores han enfriado los átomos a una temperatura que es 3.000 millones de veces más fría que la del espacio exterior, ¡dejemos que eso se asimile! El equipo de investigación utilizó principalmente el láser para enfriar los átomos hasta niveles ultrafríos y, posteriormente, construyó un imán cuántico basado en una propiedad de espín.

A Cadena de imanes de un solo átomo (esferas rojas con flechas negras que indican la orientación norte-sur) que se repelen entre sí. Fuente de la imagen y el texto: Harvard University

En la teoría de la materia condensada, los físicos suelen utilizar un ansatz o una aproximación conocida como modelo de Hubbard para describir el comportamiento de los sólidos, los superconductores de alta temperatura, los imanes cuánticos, etc.  En el nuevo trabajo que se publicó en Nature Physics [1], los físicos utilizaron modelos de Hubbard con una propiedad simétrica especial que surge de un marco matemático llamado teoría de grupos. La propiedad se conoce como SU(N), donde SU significa grupo unitario especial y N significa los posibles estados de espín de las partículas consideradas dentro del modelo. La complejidad del comportamiento magnético dentro del sistema estudiado es también directamente proporcional al número N.

Los átomos de iterbio tienen seis estados de espín, por lo que la simetría se convierte en SU(6). Además, el modelo de Hubbard que se simuló en este trabajo es, curiosamente, la primera simulación que revela las relaciones magnéticas en un modelo SU(6), cuyos cálculos son imposibles de realizar incluso en un potente super computador actual. Como dice el autor correspondiente del estudio, Kaden Hazzard, "Esa es la verdadera razón para hacer este experimento. Porque nos morimos por conocer la física de este modelo SU(N) de Hubbard".

El novedoso trabajo allana el camino para nuevos desarrollos y se prevén nuevas herramientas que podrán medir correlaciones atómicas y descubrir fases más sutiles y exóticas de la materia, así como inflar los límites de la investigación dentro de la materia condensada en general y del magnetismo cuántico en particular.

 

Referencias

[1] Shintaro Taie et al., Observation of antiferromagnetic correlations in an ultracold SU(N) Hubbard model, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6

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