Ya sean imanes o superconductores: los materiales son conocidos por sus diversas propiedades. Sin embargo, estas propiedades pueden cambiar espontáneamente bajo condiciones extremas. Investigadores de la Technische Universität Dresden (TUD) y la Technische Universität München (TUM) han descubierto un tipo completamente nuevo de tales transiciones de fase. Muestran el fenómeno del entrelazamiento cuántico que involucra a muchos átomos, que anteriormente solo se había observado en el reino de unos pocos átomos. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Nature.
En física, el gato de Schroedinger es una alegoría de dos de los efectos más impresionantes de la mecánica cuántica: el entrelazamiento y la superposición. Investigadores de Dresden y Munich ahora han observado estos comportamientos en una escala mucho mayor que la de las partículas más pequeñas. Hasta ahora, se sabe que los materiales que muestran propiedades como, por ejemplo, el magnetismo, tienen los llamados dominios, islas en las que las propiedades de los materiales son homogéneas de uno o de otro tipo (imagínese que son negros o negros). o blanco, por ejemplo). En cuanto al fluoruro de litio y holmio (LiHoF4), los físicos ahora han descubierto una transición de fase completamente nueva, en la que los dominios sorprendentemente exhiben características mecánicas cuánticas, lo que hace que sus propiedades se enreden (siendo blanco y negro al mismo tiempo). «Nuestro gato cuántico ahora tiene un nuevo pelaje porque hemos descubierto una nueva transición de fase cuántica en LiHoF4 que no se sabía que existiera anteriormente», comenta Matthias Vojta, presidente de Física Teórica del Estado Sólido en TUD.
Transiciones de fase y entrelazamiento
Podemos observar fácilmente las propiedades que cambian espontáneamente de una sustancia si observamos el agua: a 100 grados centígrados se evapora en un gas, a cero grados centígrados se congela en hielo. En ambos casos, estos nuevos estados de la materia se forman como consecuencia de una transición de fase donde 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. Para 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 extensa investigación dedicada a las transiciones de fase en los materiales cuánticos, anteriormente habíamos asumido que el fenómeno del entrelazamiento desempeñaba un papel solo a escala microscópica, donde involucra solo 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 asombrosos de la física, en el que las partículas cuánticas entrelazadas existen en un estado de superposición compartida que permite que las propiedades normalmente mutuamente excluyentes (por ejemplo, blanco y negro) ocurran simultáneamente. Como regla general, las leyes de la mecánica cuántica solo se aplican a partículas microscópicas. Los equipos de investigación de Múnich y Dresde ahora han logrado observar los efectos del entrelazamiento cuántico en una escala mucho mayor, la de miles de átomos. Para ello, han optado por trabajar con el conocido compuesto LiHoF4.
Las muestras esféricas permiten mediciones de precisión
A temperaturas muy bajas, LiHoF4 actúa como un ferroimán donde todos los momentos magnéticos apuntan espontáneamente en la misma dirección. Si luego aplica un campo magnético exactamente verticalmente 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 intensas serán estas fluctuaciones hasta que, finalmente, el ferromagnetismo desaparezca por completo en una transición de fase cuántica. Esto conduce al entrelazamiento de los momentos magnéticos vecinos. «Si sostienes un LiHoF4 muestra a un imán muy fuerte, de repente deja de ser magnética espontáneamente. Esto se sabe desde hace 25 años», resume Vojta.
Lo que es nuevo es lo que sucede cuando cambias la dirección del campo magnético. «Descubrimos que la transición de fase cuántica continúa ocurriendo, mientras que anteriormente se creía que incluso la inclinación más pequeña del campo magnético la suprimiría de inmediato», explica Pfleiderer. Bajo estas condiciones, sin embargo, no son los momentos magnéticos individuales sino las 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 permitió estudiar con precisión el comportamiento ante pequeños cambios en la dirección del campo magnético», agrega Andreas Wendl, quien realizó los experimentos como parte de su tesis doctoral.
De la física fundamental a las aplicaciones
«Hemos descubierto un tipo completamente nuevo de transiciones de fase cuántica donde el entrelazamiento tiene lugar en la escala de muchos miles de átomos en lugar de solo en el microcosmos de unos pocos», explica Vojta. «Si imagina los dominios magnéticos como un patrón en blanco y negro, la nueva transición de fase conduce a que las áreas blancas o negras se vuelvan infinitesimalmente pequeñas, es decir, crean un patrón cuántico, antes de disolverse por completo». Un modelo teórico desarrollado recientemente explica con éxito los datos obtenidos de los experimentos. «Para nuestro análisis, generalizamos los modelos microscópicos existentes y también tuvimos en cuenta la retroalimentación de los grandes dominios ferromagnéticos a las propiedades microscópicas», explica Heike Eisenlohr, quien realizó los cálculos como parte de su tesis doctoral.
El descubrimiento de las nuevas transiciones de fase cuánticas es importante como base y marco general de referencia para la investigación de fenómenos cuánticos en materiales, así como para nuevas aplicaciones. «El entrelazamiento cuántico se aplica y utiliza en tecnologías como sensores cuánticos y computadoras cuánticas, entre otras cosas», dice Vojta. Pfleiderer agrega: «Nuestro trabajo se encuentra en el área 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».
La investigación ha sido apoyada financieramente por la Estrategia de Excelencia de los Gobiernos Federal y Estatal de Alemania dentro del Clúster de Excelencia Complejidad y Topología en Materia Cuántica de Würzburg-Dresden (ct.qmat) y el Clúster de Excelencia del Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Munich (MCQST). ). Además, el trabajo ha sido apoyado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) a través de Advanced Grant ExQuiSid y por Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dentro de los Centros de Investigación Colaborativos (SFB) 1143 y TRR80.
