Átomos de litio ultrafríos revelan fuerzas cuánticas en competencia
Un sistema de red óptica de tres componentes construido con litio-6 permite a los físicos simular interacciones magnéticas complejas y el comportamiento de los quarks subatómicos.
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Físicos han construido un simulador cuántico de tres componentes con átomos de litio-6 ultrafríos suspendidos en luz láser, revelando comportamientos magnéticos en competencia dentro de una misma configuración experimental. La investigación, publicada en la revista Science, ofrece una vía para estudiar fenómenos físicos que han resistido el cálculo numérico durante décadas. Esta innovación de laboratorio permite a los científicos ajustar de forma independiente las interacciones entre tres estados de partículas distintos para poner a prueba modelos de superconductividad y de materia nuclear.
Atrapar tres estados de partículas con luz láser
El modelo de Hubbard tradicional describe el comportamiento de los electrones mediante dos estados de espín, espín arriba y espín abajo. Aunque el modelo tiene una estructura matemática relativamente sencilla, resolverlo sigue siendo notoriamente difícil. Investigadores internacionales ampliaron este marco introduciendo un tercer componente fermiónico, usando átomos de litio-6 ultrafríos confinados en una red óptica, según informó Interesting Engineering. La red óptica actúa como un cristal artificial creado con luz láser, y representa una innovación disruptiva que proporciona sitios regularmente espaciados donde las partículas pueden tunelar entre posiciones vecinas.
Ajustando un campo magnético externo, el equipo alteró las intensidades de interacción entre cada par de estados de forma independiente. En este tipo de experimentos, las colisiones a tres cuerpos suelen provocar una rápida pérdida de átomos, lo que dificulta la observación sostenida. En esta configuración, sin embargo, el arreglo se mantuvo lo bastante estable como para permitir la medición detallada de las posiciones e interacciones de las partículas.
«Los experimentos son un campo de pruebas maravilloso para las ideas teóricas.»
— Kaden Hazzard, profesor asociado de la Universidad Rice
Un microscopio diseñado para separar los sabores de las partículas
Para registrar el comportamiento de cada componente, el equipo desarrolló un microscopio de gases cuánticos con resolución de sabor. El instrumento detecta átomos individuales y distingue entre los tres estados cuánticos en la red. Esa capacidad permitió a los investigadores seguir cómo las partículas ocupan los sitios de la red bajo distintas intensidades de interacción.
Un objetivo clave del experimento era detectar un estado aislante de Mott, en el que las fuertes fuerzas repulsivas bloquean la doble ocupación de los sitios y restringen el movimiento de las partículas. «Para nosotros era especialmente importante observar un llamado estado de Mott, en el que las interacciones suprimen la doble ocupación de los sitios», dijo el coautor del estudio Peter Schauss, profesor de física en la Universidad de Virginia. Las mediciones confirmaron tanto el estado aislante como los sitios con triple ocupación, en coincidencia con cálculos numéricos realizados en la Universidad Rice.
Fuerzas ferromagnéticas y antiferromagnéticas en una misma red
Según cómo se configuraran los valores de interacción, ciertos pares de componentes desarrollaron alineación ferromagnética mientras que otros mostraron correlaciones antiferromagnéticas. Observar estas fuerzas opuestas en un mismo sistema proporciona datos físicos para problemas relevantes para la computación cuántica y la investigación de materiales.
«Los experimentos son un campo de pruebas maravilloso para las ideas teóricas», dijo el coautor del estudio Kaden Hazzard, profesor asociado en la Universidad Rice. Hazzard y su colaborador Sohail compararon cálculos numéricos con datos experimentales para verificar cómo se comporta la plataforma de tres componentes. El simulador físico actúa como una invención experimental para poner a prueba preguntas que los superordenadores convencionales no pueden resolver por sí solos.
Simular quarks y nuevas formas de red
Los límites experimentales siguen formando parte del proyecto. El calentamiento atómico y las pérdidas persistentes por colisiones a tres cuerpos siguen dificultando el acceso a las temperaturas más bajas necesarias para sondear fases cuánticas delicadas. Aun así, el hardware demostró una estabilidad inesperada durante las pruebas.
El grupo de investigación planea ahora refinar las interacciones, investigar un posible estado de Mott emparejado y probar geometrías como las redes triangular y kagome. Dado que la mezcla de tres componentes refleja las tres cargas de color de los quarks, la plataforma podría simular aspectos de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe las fuerzas dentro de los núcleos atómicos. Los experimentos futuros también apuntarán a los mecanismos detrás de la superconductividad de alta temperatura, ofreciendo ideas fundamentales para futuras solicitudes de patente en tecnología cuántica.
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