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Al igual que los electrones y los fotones, los átomos están sujetos a las leyes de la dinámica cuántica. Sin embargo, sus comportamientos cuánticos sólo son visibles cuando se enfrían a una pequeña fracción del grado del cero absoluto. El enfriamiento por láser se utiliza generalmente para estudiar las propiedades cuánticas de los átomos ultrafríos desde hace más de un cuarto de siglo.
En un nuevo estudio, físicos japoneses y estadounidenses han utilizado átomos unos 3.000 millones de veces más fríos que el espacio interestelar. Querían dar un paso adelante hacia un reino inexplorado del magnetismo cuántico.
Un equipo de Kioto utilizó láseres para enfriar sus fermiones, átomos de iterbio, a una milmillonésima de grado del cero absoluto, la temperatura inalcanzable donde se detiene todo movimiento. Es decir, unas 3.000 millones de veces más frío que el espacio interestelar.
Kaden Hazzard, de la Universidad de Rice, autor de la teoría correspondiente a un estudio, dijo: "La recompensa de llegar a este frío es que la física cambia. La física empieza a ser más mecánica cuántica y permite ver nuevos fenómenos".
Los científicos simularon por primera vez un modelo de Hubbard utilizando celosías ópticas. Los modelos Hubbard se utilizan para determinar el comportamiento magnético y superconductor de los materiales.
El nuevo modelo de Hubbard tiene una simetría especial conocida como SU(N). Aquí, "SU" denota un grupo unitario especial, una forma matemática de describir la simetría, y "N" indica los posibles estados de espín de las partículas en el modelo.
La simetría del modelo y la complejidad de los fenómenos magnéticos que representa aumentan a medida que se incrementa N. Existen seis estados de espín potenciales para los átomos de iterbio. El simulador de Kioto es el primero en detectar correlaciones magnéticas en un modelo SU(6) Hubbard, que son matemáticamente imposibles de calcular.
Hazzard dijo: "El termómetro que utilizan en Kioto es una de las cosas importantes que proporciona nuestra teoría. Comparando sus mediciones con nuestros cálculos, podemos determinar la temperatura". La temperatura récord se consigue gracias a una nueva y divertida física que tiene que ver con la altísima simetría del sistema".
"Esa es la verdadera razón para hacer este experimento. Porque nos morimos por conocer la física de este modelo SU(N) de Hubbard".
El coautor del estudio, Eduardo Ibarra-García-Padilla, estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Hazzard, dijo que "el modelo de Hubbard pretende capturar los ingredientes mínimos para entender por qué los materiales sólidos se convierten en metales, aislantes, imanes o superconductores."
Ibarra-García-Padilla dijo que "una de las cuestiones fascinantes que los experimentos pueden explorar es el papel de la simetría. Tener la capacidad de diseñarla en un laboratorio es extraordinario. Si logramos entenderlo, podría guiarnos para fabricar materiales reales con propiedades nuevas y deseadas."
Según Hazzard, "podría atrapar hasta 300.000 átomos en su entramado 3D. Calcular con precisión el comportamiento de incluso una docena de partículas en un modelo SU(6) de Hubbard está fuera del alcance de los superordenadores más potentes."
"Ahora mismo, esta coordinación es de corto alcance, pero pueden aparecer fases más sutiles y exóticas de la materia cuando las partículas se enfríen aún más. Una de las cosas interesantes de algunas de estas fases exóticas es que no están ordenadas en un patrón obvio y tampoco son aleatorias. Hay correlaciones, pero si se observan dos átomos y se pregunta si están correlacionados, no se verán. Son mucho más sutiles. No puedes mirar dos o tres o incluso 100 átomos. Hay que mirar todo el sistema".
"Los físicos aún no tienen herramientas para medir ese comportamiento en el experimento de Kioto. Pero ya se está trabajando para crear las herramientas, y el éxito del equipo de Kioto estimulará esos esfuerzos."
"Estos sistemas son exóticos y especiales, pero la esperanza es que al estudiarlos y comprenderlos, podamos identificar los ingredientes clave que deben estar presentes en los materiales reales".
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Universidad de Rice
Imagen: Concepción artística de las complejas correlaciones magnéticas que los físicos han observado con un innovador simulador cuántico de la Universidad de Kioto que utiliza átomos de iterbio unos 3.000 millones de veces más fríos que el espacio profundo. Los diferentes colores representan los seis posibles estados de espín de cada átomo. El simulador utiliza hasta 300.000 átomos, lo que permite a los físicos observar directamente cómo interactúan las partículas en imanes cuánticos cuya complejidad está fuera del alcance incluso del superordenador más potente. (Imagen de Ella Maru Studio /Cortesía de K. Hazzard/Universidad de Rice)