Los simuladores cuánticos resuelven acertijos de física con puntos de colores

Al analizar imágenes formadas por puntos de colores creados por simuladores cuánticos, los investigadores de ETH han estudiado un tipo especial de magnetismo. En el futuro, este método también podría utilizarse para resolver otros problemas de física, por ejemplo en el ámbito de la superconductividad.

De cerca parecen muchos puntos de colores, pero desde lejos se ve una imagen compleja y rica en detalles: George Seurat creó en 1886 con la técnica del puntillismo la obra maestra “Una tarde de domingo en la isla de La Grande Jatte”. De manera similar, Eugene Demler y sus compañeros de trabajo en ETH Zurich estudian sistemas cuánticos complejos formados por muchas partículas que interactúan. En su caso, los puntos no se crean frotando con un pincel, sino haciendo visibles los átomos individuales en el laboratorio.

Junto con colegas de Harvard y Princeton, el grupo de Demler ha utilizado el nuevo método, al que llaman “puntillismo cuántico”, para observar más de cerca un tipo especial de magnetismo.

Los investigadores acaban de publicar sus resultados en dos artículos en la revista Naturaleza con los títulos “Observación de polarones de Nagaoka en un simulador cuántico Fermi-Hubbard” y “Observación directa de polarones de espín en un sistema Hubbard cinéticamente frustrado”.

Cambio de paradigma en la comprensión

“Estos estudios representan un cambio de paradigma en nuestra comprensión de este tipo de fenómenos cuánticos magnéticos. Hasta ahora no habíamos podido estudiarlos en detalle”, afirma Demler. Todo empezó hace unos dos años en ETH. El grupo de Ataç Imamoğlu investigó experimentalmente materiales especiales con una red cristalina triangular (materiales muaré hechos de dicalcogenuros de metales de transición).

Cuando Demler y su postdoctorado Ivan Morera analizaron los datos de Imamoğlu, encontraron una peculiaridad que sugería un tipo de magnetismo que hasta entonces sólo se había predicho teóricamente.

“En este magnetismo cinético, unos pocos electrones que se mueven dentro de la red cristalina pueden magnetizar el material”, explica Morera.

En el experimento de Imamoğlu, este efecto, conocido entre los expertos como mecanismo de Nagaoka, se pudo detectar por primera vez en un sólido midiendo, entre otras cosas, la susceptibilidad magnética, es decir, la fuerza con la que reacciona el material a un campo magnético externo.

“Esta detección se basó en evidencias muy sólidas. Para una prueba directa, sin embargo, habría que medir el estado de los electrones (su posición y dirección de espín) simultáneamente en varios lugares dentro del material”, dice Demler.

Procesos complejos hechos visibles

Sin embargo, en un sólido esto no es posible con los métodos convencionales. Como máximo, los investigadores pueden utilizar la difracción de rayos X o de neutrones para descubrir cómo se relacionan entre sí los espines de los electrones en dos posiciones: la llamada correlación de espines. De esta manera no se pueden medir las correlaciones entre disposiciones complejas de espín y electrones adicionales o faltantes.

Para seguir haciendo visibles los complejos procesos del mecanismo de Nagaoka, que Demler y Morera habían calculado mediante un modelo, recurrieron a colegas de Harvard y Princeton. Allí, los equipos de investigación dirigidos por Markus Greiner y Waseem Bakr han desarrollado simuladores cuánticos que pueden utilizarse para recrear con precisión las condiciones dentro de un sólido.

En lugar de que los electrones se muevan dentro de una red formada por átomos, en estos simuladores los investigadores estadounidenses utilizan átomos extremadamente fríos atrapados dentro de una red óptica formada por haces de luz. Sin embargo, las ecuaciones matemáticas que describen los electrones dentro del sólido y los átomos dentro de la red óptica son casi idénticas.

Instantáneas en color del sistema cuántico

Utilizando un microscopio de gran aumento, los grupos de Greiner y Bakr pudieron determinar no sólo las posiciones de los átomos individuales, sino también sus direcciones de espín. Tradujeron la información obtenida de estas instantáneas del sistema cuántico en gráficos en colores que podrían compararse con las imágenes teóricas puntillistas.

Demler y sus compañeros de trabajo habían calculado teóricamente, por ejemplo, cómo un único electrón adicional en el mecanismo de Nagaoka forma un par con otro electrón de espín opuesto y luego se mueve a través de la red triangular del material como un doblón.

Según la predicción de Demler y Morera, ese doblón debería estar rodeado por una nube de electrones cuyas direcciones de espín sean paralelas, o ferromagnéticas. Esta nube también se conoce como polarón magnético.

Esto es exactamente lo que vieron los investigadores estadounidenses en sus experimentos. Además, si faltaba un átomo en la red óptica cristalina del simulador cuántico (lo que corresponde a un electrón o “agujero” faltante en el cristal real), entonces la nube que se formaba alrededor de ese agujero consistía en pares de átomos cuyos espines apuntaban en direcciones opuestas. direcciones, tal como lo habían predicho Demler y Morera.

Este orden antiferromagnético (o, más precisamente, correlaciones antiferromagnéticas) ya se había detectado indirectamente en un experimento de estado sólido en la Universidad de Cornell (EE.UU.). En el simulador cuántico ahora se hizo directamente visible.

“Por primera vez hemos resuelto un enigma de la física mediante experimentos tanto en el sólido ‘real’ como en el simulador cuántico. Nuestro trabajo teórico es el pegamento que mantiene todo unido”, afirma Demler. Confía en que en el futuro su método también será útil para resolver otros problemas complicados.

Por ejemplo, el mecanismo que provoca la formación de la nube de polarón magnético también podría desempeñar un papel importante en los superconductores de alta temperatura.