Los físicos usaron láseres (se muestra uno) para atrapar átomos de rubidio en un simulador cuántico, y los indujo a exhibir la física de una sustancia extraña y elusiva llamada líquido de espín cuántico.
Una forma esquiva de materia llamada líquido de espín cuántico no es un líquido y no gira, pero seguro que es cuántico.

Previsto hace casi 50 años, los líquidos de espín cuántico han eludido durante mucho tiempo la detección definitiva en el laboratorio. Pero ahora, una red de átomos ultrafríos mantenidos en su lugar con láseres ha mostrado las características de la forma de materia tan buscada, informan los investigadores en la revista Science del 3 de diciembre .

El entrelazamiento cuántico se acelera en el nuevo material. Incluso los átomos en lados opuestos de la red comparten entrelazamiento, o enlaces cuánticos, lo que significa que las propiedades de los átomos distantes están correlacionadas entre sí. "Está muy, muy enredado", dice la física Giulia Semeghini de la Universidad de Harvard, coautora del nuevo estudio. "Si eliges dos puntos de tu sistema, están conectados entre sí a través de este enorme enredo". Este fuerte entrelazamiento de largo alcance podría resultar útil para construir computadoras cuánticas, dicen los investigadores.

El nuevo material coincide con las predicciones de un líquido de espín cuántico, aunque su composición se aleja un poco de las expectativas convencionales. Si bien la idea tradicional de un líquido de espín cuántico se basa en la propiedad cuántica del espín, que da a los átomos campos magnéticos, el nuevo material se basa en diferentes peculiaridades atómicas.

Un líquido de espín cuántico estándar debería surgir entre los átomos cuyos espines están en conflicto. El giro hace que los átomos actúen como pequeños imanes. Normalmente, a bajas temperaturas, esos átomos alinearían sus polos magnéticos en un patrón regular. Por ejemplo, si un átomo apunta hacia arriba, sus vecinos apuntan hacia abajo. Pero si los átomos están dispuestos en un triángulo, por ejemplo, cada átomo tiene dos vecinos que apuntan en direcciones opuestas. Ese arreglo deja al tercero sin adónde ir, no puede oponerse a sus dos vecinos a la vez.

Entonces, los átomos en los líquidos de espín cuántico se niegan a elegir (SN: 21/9/21 ). En cambio, los átomos terminan en una superposición, una combinación cuántica de espín hacia arriba y hacia abajo, y el estado de cada átomo está vinculado con el de sus compatriotas. Los átomos fluctúan constantemente y nunca se establecen en una disposición ordenada de espines, de manera similar a cómo los átomos en un líquido normal se dispersan en lugar de organizarse en un patrón que se repite regularmente, de ahí el nombre.

Ha sido difícil encontrar evidencia concluyente de líquidos de espín cuántico en materiales sólidos. En el nuevo estudio, los investigadores tomaron un rumbo diferente: crearon un material artificial compuesto por 219 átomos de rubidio atrapados enfriados a una temperatura de alrededor de 10 microkelvins (aproximadamente –273,15° Celsius). La matriz de átomos, conocida como simulador cuántico programable, permite a los científicos ajustar cómo interactúan los átomos para investigar formas exóticas de materia cuántica.

En el nuevo experimento, en lugar de que los espines de los átomos estén en oposición, una propiedad diferente creó desacuerdo. Los investigadores utilizaron láseres para poner los átomos en estados de Rydberg, lo que significa que uno de los electrones de un átomo alcanza un nivel de energía muy alto (SN: 29/8/16 ). Si un átomo está en un estado de Rydberg, sus vecinos prefieren no estarlo. Esa configuración engendra una discordia de Rydberg o no, análoga a la batalla de giro hacia arriba y hacia abajo en un líquido de giro cuántico tradicional.

Los científicos confirmaron el efecto líquido de espín cuántico mediante el estudio de las propiedades de los átomos que caían a lo largo de bucles trazados a través del material. Según la matemática cuántica, esos átomos deberían haber exhibido ciertas propiedades exclusivas de los líquidos de espín cuántico. Los resultados coincidieron con las expectativas de un líquido de espín cuántico y revelaron que estaba presente un entrelazamiento de largo alcance.

En particular, el entrelazamiento del material es topológico. Eso significa que se describe mediante una rama de las matemáticas llamada topología, en la que un objeto se define mediante ciertas propiedades geométricas, por ejemplo, su número de agujeros (SN: 4/10/16). La topología puede proteger la información para que no se destruya: un bagel que se cae del mostrador todavía tendrá exactamente un agujero, por ejemplo. Esta característica de preservación de información podría ser una bendición para las computadoras cuánticas, que deben lidiar con información cuántica frágil y fácilmente destruible que hace que los cálculos estén sujetos a errores (SN: 22/6/20).

Si el material realmente califica como un líquido de espín cuántico, a pesar de no estar basado en el espín, depende de su elección de lenguaje, dice el físico teórico Christopher Laumann de la Universidad de Boston, que no participó en el estudio. Algunos físicos usan el término "espín" para describir otros sistemas con dos opciones posibles, porque tiene las mismas matemáticas que los espines atómicos que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. “Las palabras tienen significado, hasta que no lo tienen”, bromea. Todo depende de cómo los hagas girar.

CITAS
G. Semeghini y col. Sondeo de líquidos de espín topológico en un simulador cuántico programable . Ciencia . Vol. 374, 3 de diciembre de 2021, pág. 1242. doi: 10.1126/science.abi8794.