Nuevo pelaje para el gato cuántico
Materiales cuánticos: se descubre por primera vez el entrelazamiento de muchos átomos
Ya sean imanes o superconductores: los materiales son conocidos por sus diversas propiedades. Sin embargo, estas propiedades pueden cambiar espontáneamente en condiciones extremas. Investigadores de la Universidad Técnica de Dresde (TUD) y de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han descubierto un tipo totalmente nuevo de transiciones de fase. Muestran el fenómeno del entrelazamiento cuántico que involucra a muchos átomos, que anteriormente sólo se había observado en el ámbito de unos pocos átomos. Los resultados se han publicado recientemente en la revista científica Nature.
El gato de Schroedinger con pieles cuánticas: en el material LiHoF4, físicos de las universidades de Dresde y Múnich han descubierto una nueva transición de fase cuántica en la que los dominios se comportan de forma mecánica cuántica.
Christoph Hohmann/MCQST
Nueva piel para el gato cuántico
En física, el gato de Schroedinger es una alegoría de dos de los efectos más asombrosos de la mecánica cuántica: el entrelazamiento y la superposición. Investigadores de Dresde y Múnich han observado ahora estos comportamientos a una escala mucho mayor que la de las partículas más pequeñas. Hasta ahora, se sabía que los materiales que muestran propiedades como, por ejemplo, el magnetismo, tienen los llamados dominios, islas en las que las propiedades del material son homogéneas de uno o de otro tipo (imagínese que son blancas o negras, por ejemplo). En el caso del fluoruro de litio y holmio (LiHoF4), los físicos han descubierto ahora una transición de fase completamente nueva, en la que los dominios presentan sorprendentemente características de mecánica cuántica, lo que hace que sus propiedades se entremezclen (sean blancas y negras al mismo tiempo). "Nuestro gato cuántico tiene ahora un nuevo pelaje porque hemos descubierto una nueva transición de fase cuántica en el LiHoF4 que no se conocía hasta ahora", comenta Matthias Vojta, catedrático de Física Teórica del Estado Sólido de la TUD.
Transiciones de fase y entrelazamiento
Podemos observar fácilmente el cambio espontáneo de las propiedades de una sustancia si nos fijamos en el agua: a 100 grados Celsius se evapora en un gas, a cero grados Celsius se congela en hielo. En ambos casos, estos nuevos estados de la materia se forman como consecuencia de una transición de fase en la que las moléculas de agua se reorganizan, cambiando así las características de la materia. Propiedades como el magnetismo o la superconductividad surgen como resultado de las transiciones de fase de los electrones en los cristales. En el caso de las transiciones de fase a temperaturas cercanas al cero absoluto, a -273,15 grados Celsius, entran en juego efectos mecánicos cuánticos como el entrelazamiento, y se habla de transiciones de fase cuánticas. "Aunque hay más de 30 años de investigación exhaustiva dedicada a las transiciones de fase en materiales cuánticos, hasta ahora habíamos asumido que el fenómeno del entrelazamiento sólo jugaba un papel a escala microscópica, donde sólo implica a unos pocos átomos a la vez", explica Christian Pfleiderer, catedrático de Topología de Sistemas Correlacionados de la TUM.
El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más sorprendentes de la física, en el que las partículas cuánticas entrelazadas existen en un estado de superposición compartido que permite que se den simultáneamente propiedades habitualmente excluyentes (por ejemplo, el blanco y el negro). Por regla general, las leyes de la mecánica cuántica sólo se aplican a las partículas microscópicas. Los equipos de investigación de Múnich y Dresde han conseguido ahora observar los efectos del entrelazamiento cuántico a una escala mucho mayor, la de miles de átomos. Para ello, han elegido trabajar con el conocido compuesto LiHoF4.
Las muestras esféricas permiten realizar mediciones de precisión
A temperaturas muy bajas, el LiHoF4 actúa como un ferromagneto en el que todos los momentos magnéticos apuntan espontáneamente en la misma dirección. Si a continuación se aplica un campo magnético exactamente vertical a la dirección magnética preferida, los momentos magnéticos cambiarán de dirección, lo que se conoce como fluctuaciones. Cuanto mayor sea la intensidad del campo magnético, más fuertes serán estas fluctuaciones, hasta que, finalmente, el ferromagnetismo desaparece por completo en una transición de fase cuántica. Esto conduce al entrelazamiento de los momentos magnéticos vecinos. "Si se acerca una muestra de LiHoF4 a un imán muy fuerte, de repente deja de ser espontáneamente magnética. Esto se sabe desde hace 25 años", resume Vojta.
Lo nuevo es lo que ocurre cuando se cambia la dirección del campo magnético. "Descubrimos que la transición de fase cuántica sigue produciéndose, mientras que antes se creía que incluso la más pequeña inclinación del campo magnético la suprimiría inmediatamente", explica Pfleiderer. En estas condiciones, sin embargo, no son momentos magnéticos individuales, sino extensas áreas magnéticas, los llamados dominios ferromagnéticos, los que experimentan estas transiciones de fase cuántica. Los dominios constituyen islas enteras de momentos magnéticos que apuntan en la misma dirección. "Hemos utilizado muestras esféricas para nuestras mediciones de precisión. Eso es lo que nos ha permitido estudiar con precisión el comportamiento ante pequeños cambios en la dirección del campo magnético", añade Andreas Wendl, que realizó los experimentos como parte de su tesis doctoral.
De la física fundamental a las aplicaciones
"Hemos descubierto un tipo totalmente nuevo de transiciones de fase cuántica en las que el entrelazamiento tiene lugar a escala de muchos miles de átomos en lugar de sólo en el microcosmos de unos pocos", explica Vojta. "Si se imaginan los dominios magnéticos como un patrón en blanco y negro, la nueva transición de fase lleva a que las áreas blancas o negras se vuelvan infinitesimales, es decir, a crear un patrón cuántico, antes de disolverse por completo". Un modelo teórico recién desarrollado explica con éxito los datos obtenidos en los experimentos. "Para nuestro análisis, hemos generalizado los modelos microscópicos existentes y también hemos tenido en cuenta la retroalimentación de los grandes dominios ferromagnéticos a las propiedades microscópicas", explica Heike Eisenlohr, que realizó los cálculos como parte de su tesis doctoral.
El descubrimiento de las nuevas transiciones de fase cuánticas es importante como base y marco de referencia general para la investigación de los fenómenos cuánticos en los materiales, así como para nuevas aplicaciones. "El entrelazamiento cuántico se aplica y utiliza en tecnologías como los sensores cuánticos y los ordenadores cuánticos, entre otras cosas", dice Vojta. Pfleiderer añade: "Nuestro trabajo se sitúa en el ámbito de la investigación fundamental, que, sin embargo, puede tener un impacto directo en el desarrollo de aplicaciones prácticas, si se utilizan las propiedades de los materiales de forma controlada".
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