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Investigadores de la Universidad de Cambridge utilizaron la modelización informática para estudiar posibles nuevas fases de la materia conocidas como cristales de tiempo discreto (DTC) pretérmicos. Se pensaba que las propiedades de los DTC pretérmicos dependían de la física cuántica: las extrañas leyes que rigen las partículas a escala subatómica. Sin embargo, los investigadores descubrieron que se puede utilizar un enfoque más sencillo, basado en la física clásica, para entender estos misteriosos fenómenos.
La comprensión de estas nuevas fases de la materia supone un paso adelante hacia el control de sistemas complejos de muchos cuerpos, un objetivo largamente perseguido con diversas aplicaciones potenciales, como las simulaciones de redes cuánticas complejas. Los resultados se publican en dos artículos conjuntos en Physical Review Letters y Physical Review B.
"Pensábamos que los cristales de tiempo eran fenómenos fundamentalmente cuánticos, pero resulta que un enfoque clásico más sencillo nos permite aprender más sobre ellos". - Andrea Pizzi
Cuando descubrimos algo nuevo, ya sea un planeta, un animal o una enfermedad, podemos aprender más sobre ello observándolo cada vez más de cerca. Primero se prueban las teorías más sencillas y, si no funcionan, se intentan teorías o métodos más complicados.
"Esto era lo que pensábamos que ocurría con los DTC pretermales", explica Andrea Pizzi, candidato a doctor en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, primer autor de ambos trabajos. "Pensábamos que eran fenómenos fundamentalmente cuánticos, pero resulta que un enfoque clásico más sencillo nos permitió aprender más sobre ellos".
Los DTC son sistemas físicos muy complejos y aún queda mucho por aprender sobre sus inusuales propiedades. Al igual que un cristal espacial estándar rompe la simetría espacio-translacional porque su estructura no es la misma en todo el espacio, los DTC rompen una simetría tiempo-translacional distinta porque, al ser "agitados" periódicamente, su estructura cambia a cada "empujón".
"Se puede pensar en ello como un padre que empuja a un niño en un columpio en un parque infantil", dijo Pizzi. "Normalmente, el padre empuja al niño, este se columpia y el padre vuelve a empujarlo. Desde el punto de vista físico, se trata de un sistema bastante sencillo. Pero si en ese mismo parque infantil hubiera varios columpios y los niños se cogieran de la mano, el sistema se volvería mucho más complejo y podrían surgir comportamientos mucho más interesantes y menos evidentes". Un DTC pretérmino es uno de esos comportamientos, en el que los átomos, actuando como columpios, solo "vuelven" cada dos o tres empujones, por ejemplo."
Predichos por primera vez en 2012, los DTC han abierto un nuevo campo de investigación, y se han estudiado en varios tipos, incluso en experimentos. Entre ellos, los DTC pretérmicos son sistemas relativamente sencillos de realizar que no se calientan rápidamente como cabría esperar, sino que muestran un comportamiento cristalino durante mucho tiempo: cuanto más rápido se agitan, más tiempo sobreviven. Sin embargo, se pensaba que dependían de fenómenos cuánticos.
"Desarrollar teorías cuánticas es complicado, e incluso cuando se consigue, su capacidad de simulación suele ser muy limitada, porque la potencia de cálculo necesaria es increíblemente grande", afirma Pizzi.
Ahora, Pizzi y sus coautores han descubierto que para los DTC pretérmicos pueden evitar el uso de enfoques cuánticos demasiado complicados y utilizar en su lugar enfoques clásicos mucho más asequibles. De este modo, los investigadores pueden simular estos fenómenos de forma mucho más completa. Por ejemplo, ahora pueden simular muchos más constituyentes elementales, accediendo a los escenarios más relevantes para los experimentos, como en dos y tres dimensiones.
Mediante una simulación por ordenador, los investigadores estudiaron muchos espines que interactúan -como los niños en los columpios- bajo la acción de un campo magnético periódico -como el padre que empuja el columpio- utilizando la dinámica hamiltoniana clásica. La dinámica resultante mostró de forma nítida y clara las propiedades de los DTC pretermales: durante mucho tiempo, la magnetización del sistema oscila con un periodo mayor que el del impulso.
"Es sorprendente la limpieza de este método", dijo Pizzi. "Como nos permite observar sistemas más grandes, deja muy claro lo que está pasando. A diferencia de lo que ocurre con los métodos cuánticos, no tenemos que luchar con este sistema para estudiarlo. Esperamos que esta investigación establezca la dinámica hamiltoniana clásica como un enfoque adecuado para las simulaciones a gran escala de sistemas complejos de muchos cuerpos y abra nuevas vías en el estudio de los fenómenos de no equilibrio, de los que los DTC pretermales son sólo un ejemplo".
Fuentes, créditos y referencias:
“Classical approaches to prethermal discrete time crystals in one, two,
and three dimensions” by Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp and Johannes
Knolle, 27 September 2021, Physical Review Letters and Physical Review B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.104.094308