Físicos descubren nuevo estado de la materia


Los científicos han descubierto por primera vez en el laboratorio un estado de la materia nunca antes visto, hipotético desde hace mucho tiempo.

Al disparar láseres a un entramado ultrafrío de átomos de rubidio, los científicos han empujado a los átomos a una sopa desordenada de incertidumbre cuántica conocida como líquido de espín cuántico.

El nuevo material funciona formando triángulos a partir de los estados de giro de un átomo. (Crédito de la imagen: Phillip Tur a través de Shutterstock)

Los átomos de esta sopa magnética cuántica se conectaron rápidamente, uniendo sus estados en todo el material en un proceso llamado entrelazamiento cuántico. Esto significa que cualquier cambio en un átomo provoca cambios inmediatos en todos los demás en el material; Este avance podría allanar el camino para el desarrollo de computadoras cuánticas aún mejores, dijeron los investigadores en un artículo que describe sus hallazgos el 3 de diciembre en la revista Science.

«Es un momento muy especial en el campo», dijo en un comunicado el autor principal Mikhail Lukin, profesor de física en la Universidad de Harvard y codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard. «Realmente se puede tocar, pinchar y pinchar este estado exótico y manipularlo para comprender sus propiedades. Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar».

Teorizado por primera vez en 1973 por el físico Philip Anderson, los líquidos de espín cuántico surgen cuando se engatusa a los materiales para que desobedezcan las reglas habituales que gobiernan su comportamiento magnético.

Los electrones tienen una propiedad llamada espín, un tipo de momento angular cuántico, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En los imanes normales (como los que la gente pone en el frigorífico), los giros de los electrones vecinos se orientan hasta que todos apuntan en la misma dirección, generando un campo magnético. En materiales no magnéticos, los espines de dos electrones vecinos pueden girar para oponerse entre sí. Pero en cualquier caso, los diminutos polos magnéticos forman un patrón regular.

En los líquidos de espín cuántico, sin embargo, los electrones se niegan a elegir. En lugar de sentarse uno al lado del otro, los electrones están dispuestos en una red triangular, de modo que cualquier electrón tiene dos vecinos inmediatos. Dos electrones pueden alinear sus espines, pero un tercero siempre será el extraño, destruyendo el delicado equilibrio y creando un revoltijo en constante cambio de electrones agitados.

Este estado confuso es lo que los investigadores llaman un imán «frustrado». Como los estados de espín ya no saben en qué dirección apuntar, los electrones y sus átomos son arrojados a una extraña combinación de estados cuánticos llamada superposición cuántica. Los giros siempre fluctuantes existen ahora simultáneamente tanto hacia arriba como hacia abajo, y el cambio constante hace que los átomos a lo largo del material se entrelacen entre sí en un estado cuántico complejo.

Los investigadores no pudieron estudiar directamente el líquido de espín cuántico ideal, por lo que crearon un facsímil casi perfecto en otro sistema experimental. Enfriaron una matriz de 219 átomos de rubidio atrapados, que se pueden usar para diseñar y simular minuciosamente varios procesos cuánticos, a temperaturas de aproximadamente 10 microkelvins (cercanas al cero absoluto, o menos 273,15 grados Celsius).

Ocasionalmente, uno de los electrones de un átomo se encuentra en un nivel de energía mucho más alto que los demás, lo que pone al átomo en lo que se conoce como estado de Rydberg. Al igual que con los estados de espín, las espeluznantes reglas de la mecánica cuántica aseguran que un átomo no quiera estar en un estado de Rydberg si su vecino lo está. Al disparar láseres a ciertos átomos dentro de la matriz, los investigadores imitaron el tira y afloja de tres vías visto en un líquido de espín cuántico tradicional.

Tras la creación de su sopa cuántica de Rydberg, los investigadores realizaron pruebas en la matriz y confirmaron que sus átomos se habían entrelazado en todo el material. Habían creado un líquido de espín cuántico.

Luego, los científicos dirigieron su atención a una prueba de prueba de concepto para su posible aplicación: diseñar los qubits, o bits cuánticos, de una computadora cuántica. Mientras que las computadoras ordinarias usan bits, o 0 y 1 para formar la base de todos los cálculos, las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden existir en más de un estado a la vez. Los qubits, sin embargo, son increíblemente frágiles; cualquier interacción con el mundo exterior puede destruir fácilmente la información que llevan.

Pero la naturaleza especial del entrelazamiento de todo el material del líquido de espín cuántico, sin embargo, podría permitir un almacenamiento de información mucho más robusto. Esto se debe a que, en lugar de codificar información cuántica en un solo qubit, podría permitir que la información esté contenida en la forma, o la topología, que los estados de espín entrelazados crean en todo el material; creando un «qubit topológico». Al codificar la información en la forma formada por múltiples partes en lugar de una sola parte, es mucho menos probable que el qubit topológico pierda toda su información.

La prueba de concepto de los investigadores creó solo un pequeño qubit topológico, de solo unas pocas decenas de átomos de largo, pero en el futuro, esperan crear otros mucho más grandes y prácticos.

«Aprender a crear y utilizar tales qubits topológicos representaría un paso importante hacia la realización de computadoras cuánticas confiables», dijo en el comunicado la coautora Giulia Semeghini, física cuántica de la Universidad de Harvard. «Mostramos los primeros pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero aún tenemos que demostrar cómo se puede codificar y manipular realmente. Ahora hay mucho más por explorar».

Publicado originalmente en Live Science.

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