Investigadores de nuevos estados de la materia ha encontrado pruebas experimentales de una nueva fase, llamada líquido de espín cuántico, propuesta en 1973 por Phil Anderson, y relacionada con el comportamiento del espín de los electrones en imanes de tipo ferromagnético.

Los líquidos de espín cuántico (Quantum Spin Liquids) podrían tener innumerbles aplicaciones en los siguientes campos:

• Computación cuántica.
• Materiales magnéticos.
• Materia programable.

 

Figura 1. El misterioso mundo cuántico y atómico introduce nuevos estados exóticos de la materia.

 
En 1973, el físico Philip W. Anderson teorizó sobre la existencia de un nuevo estado de la materia que ha sido un foco principal del campo, especialmente en la carrera por las computadoras cuánticas. Este extraño estado de la materia se llama líquido de espín cuántico y, al contrario de su nombre, no tiene nada que ver con líquidos cotidianos como el agua. En cambio, se trata de imanes que nunca se congelan y la forma en que giran los electrones en ellos. En los imanes normales, cuando la temperatura cae por debajo de cierta temperatura, los electrones se estabilizan y forman una pieza sólida de materia con propiedades magnéticas. En el líquido de espín cuántico, los electrones no se estabilizan cuando se enfrían, no se forman en un sólido y cambian y fluctúan constantemente (como un líquido) en uno de los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos. Las diferentes propiedades de los líquidos de espín cuántico tienen aplicaciones prometedoras que se pueden utilizar para hacer avanzar las tecnologías cuánticas, como los superconductores de alta temperatura y las computadoras cuánticas. Pero el problema de este estado de la materia ha sido su propia existencia. Nadie lo había visto nunca, al menos, ese había sido el caso durante casi 50 años. Un equipo de físicos dirigidos por Harvard dijo que finalmente han documentado experimentalmente este exótico estado de la materia buscado durante mucho tiempo. El trabajo se describe en un nuevo estudio en la revista Science y marca un gran paso para poder producir este esquivo estado bajo demanda y obtener una comprensión novedosa de su naturaleza misteriosa. "Es un momento muy especial en el campo", dijo Mikhail Lukin, profesor de física de la cátedra George Vasmer Leverett, codirector de Harvard Quantum Initiative (HQI) y uno de los autores principales del estudio. "Realmente puedes tocar, pinchar y empujar este estado exótico y manipularlo para comprender sus propiedades... Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar". Los aprendizajes de esta investigación científica podrían algún día proporcionar avances para diseñar mejores materiales y tecnología cuánticos. Más específicamente, las propiedades exóticas de los líquidos de espín cuántico podrían ser la clave para crear bits cuánticos más robustos, conocidos como qubits topológicos, que se espera que sean resistentes al ruido y la interferencia externa. "Ese es un sueño en la computación cuántica", dijo Giulia Semeghini, becaria postdoctoral en el Centro de Óptica Cuántica Harvard-Max Planck y autora principal del estudio. "Aprender a crear y utilizar tales qubits topológicos representaría un gran paso hacia la realización de computadoras cuánticas confiables". El equipo de investigación se dispuso a observar este estado líquido de la materia utilizando el simulador cuántico programable que el laboratorio desarrolló originalmente en 2017. El simulador es un tipo especial de computadora cuántica que permite a los investigadores crear formas programables como cuadrados, panales o triángulos. redes para diseñar diferentes interacciones y enredos entre átomos ultrafríos. Se utiliza para estudiar una gran cantidad de procesos cuánticos complejos. La idea de utilizar el simulador cuántico es poder reproducir la misma física microscópica que se encuentra en los sistemas de materia condensada, sobre todo con la libertad que permite la programabilidad del sistema. "Puedes separar los átomos tanto como quieras, puedes cambiar la frecuencia de la luz láser, realmente puedes cambiar los parámetros de la naturaleza de una manera que no podías en el material donde estas cosas se estudiaron antes". dijo el coautor del estudio, Subir Sachdev, profesor de física de Herchel Smith y actual profesor visitante distinguido de Maureen y John Hendricks en el Instituto de Estudios Avanzados. "Aquí, puedes mirar cada átomo y ver lo que está haciendo". En los imanes convencionales, los espines de los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo siguiendo un patrón regular. En el imán del refrigerador de todos los días, por ejemplo, todos los giros apuntan en la misma dirección. Esto sucede porque los giros generalmente funcionan en un patrón de cuadro de ajedrez y pueden emparejarse para que puedan apuntar en la misma dirección o alternando, manteniendo un cierto orden. Los líquidos de espín cuántico no muestran nada de ese orden magnético. Esto sucede porque, esencialmente, se agrega un tercer giro, convirtiendo el patrón de la casilla de verificación en un patrón triangular. Mientras que un par siempre puede estabilizarse en una u otra dirección, en un triángulo, el tercer espín siempre será el electrón extraño. Esto lo convierte en un imán "frustrado" en el que los giros de los electrones no pueden estabilizarse en una sola dirección. "Esencialmente, están en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad", dijo Semeghini. "Esta es la base de la superposición cuántica".

Los científicos de Harvard usaron el simulador para crear su propio patrón de celosía frustrado, colocando los átomos allí para interactuar y enredarse. Luego, los investigadores pudieron medir y analizar las cuerdas que conectaban los átomos después de que toda la estructura se enredara. La presencia y el análisis de esas cadenas, que se denominan cadenas topológicas, significaba que se estaban produciendo correlaciones cuánticas y que había surgido el estado líquido de espín cuántico de la materia. El trabajo se basa en predicciones teóricas anteriores de Sachdev y su estudiante graduado, Rhine Samajdar, y en una propuesta específica de Ashvin Vishwanah, profesor de física de Harvard, y Ruben Verresen, becario postdoctoral de HQI. El experimento se realizó en colaboración con el laboratorio de Markus Griener, codirector del Centro de Investigación de Óptica Cuántica Max Planck-Harvard y profesor de Física George Vasmer Leverett, y científicos de la Universidad de Innsbruck y QuEra Computing en Boston. "El ir y venir entre la teoría y el experimento es extremadamente estimulante", dijo Verresen. "Fue un momento hermoso cuando se tomó la instantánea de los átomos y la configuración anticipada del dímero nos miró fijamente a la cara. Es seguro decir que no esperábamos que nuestra propuesta se concretara en cuestión de meses". Después de confirmar la presencia de líquidos de espín cuántico, los investigadores se dirigieron a la posible aplicación de este estado de la materia para crear qubits robustos. Realizaron una prueba de concepto que mostró que algún día podría ser posible crear estos bits cuánticos colocando los líquidos de espín cuántico en una matriz geométrica especial usando el simulador. Los investigadores planean usar el simulador cuántico programable para continuar investigando los líquidos de espín cuántico y cómo se pueden usar para crear qubits más robustos. Los qubits, después de todo, son los bloques de construcción fundamentales sobre los que se ejecutan las computadoras cuánticas y la fuente de su poder de procesamiento masivo. "Mostramos los primeros pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero aún tenemos que demostrar cómo se puede codificar y manipular", dijo Semeghini. "Ahora hay mucho más por explorar".
 
 
 
 

Editor/Redactor de la noticia: Juan F. González.

Referencias

[1] Researches document the presence of quantum spin liquids: a never before seen state of matter, Space Daily new. URL: https://www.spacedaily.com/reports/Harvard_led_researchers_document_the_presence_of_quantum_spin_liquids_a_never_before_seen_state_of_matter_999.html

[2] Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator, G. Semeghini, H. Levine, A. Keesling, S. Ebadi , T. T. Wang ,D. Bluvstein ,R. Verresen ,H. Pichler ,XM. Kalinowski, R. Samajdar,A. Omran ,S. Sachdev , A. Vishwanath , M. Greiner , V. Vuletić  and M. D. Lukin. Science • 2 Dec 2021 • Vol 374, Issue 6572 • pp. 1242-1247 • DOI: 10.1126/science.abi8794, https://dx.doi.org/10.1126/science.abi8794