Muchos fenómenos físicos pueden modelarse con matemáticas relativamente simples. Pero, en el mundo cuántico, hay una gran cantidad de fenómenos intrigantes que surgen de las interacciones de múltiples partículas - "muchos cuerpos" - que son notoriamente difíciles de modelar ysimule, incluso con computadoras potentes.Ejemplos de muchos estados corporales cuánticos sin análogo clásico incluyen superconductividad, superfluidos, condensación de Bose-Einstein, plasmas de quark-gluón, etc. Como resultado, muchos modelos "cuánticos de muchos cuerpos" siguen siendo teóricos, con pocorespaldo experimental. Ahora, los científicos de EPFL y el Paul Scherrer Institut PSI han realizado experimentalmente un nuevo estado cuántico de muchos cuerpos en un material que representa un famoso modelo teórico llamado modelo "Shastry-Sutherland". El trabajo se publica en Física de la naturaleza .
Si bien hay varios modelos unidimensionales de muchos cuerpos que pueden resolverse exactamente, solo hay un puñado en dos dimensiones e incluso menos en tres. Tales modelos pueden usarse como faros, guiando y calibrando el desarrollo denuevos métodos teóricos.
El modelo Shastry-Sutherland es uno de los pocos modelos 2D que tiene una solución teórica exacta, que representa el entrelazamiento cuántico por pares de momentos magnéticos en una estructura de celosía cuadrada. Cuando se concibió, el modelo Shastry-Sutherland parecía una construcción teórica abstracta,pero notablemente se descubrió que este modelo se realiza experimentalmente en el material Sr2Cu BO3 2.
Mohamed Zayed en el laboratorio de Henrik Rønnow en EPFL y Christian Ruegg en PSI descubrieron que la presión podría usarse para sintonizar el material de la fase Shastry-Sutherland de tal manera que la llamada transición de fase cuántica a una completamente nuevacuántico se alcanzó el estado corporal.
A diferencia de las transiciones de fase clásicas, como el hielo sólido que se derrite en agua líquida y luego se evapora como un gas, las transiciones de fase cuántica describen cambios en las fases cuánticas a temperatura cero absoluta ? 273.15 ° C. Ocurren debido a fluctuaciones cuánticas que sondesencadenados por cambios en los parámetros físicos, en este caso la presión.
Los investigadores pudieron identificar el nuevo estado cuántico utilizando la espectroscopía de neutrones, que es una técnica muy poderosa para investigar las propiedades magnéticas de los materiales cuánticos y los materiales tecnológicos por igual. La combinación de la espectroscopía de neutrones y las altas presiones es muy desafiante, y este experimento se encuentra entreel primero en hacerlo para un estado cuántico complejo.
En el modelo Shastry-Sutherland, los imanes atómicos, que surgen de los espines de los electrones del átomo, están entrelazados cuánticamente en pares de dos. Los investigadores encontraron que en la nueva fase cuántica los imanes atómicos aparecen entrelazados cuánticamente enconjuntos de cuatro, llamadas plaquetas singletes. "Este es un nuevo tipo de transición de fase cuántica, y aunque ha habido una serie de estudios teóricos sobre él, nunca se ha investigado experimentalmente", dice Rønnow. "Nuestro sistema puedepermitir futuras investigaciones de este estado y la naturaleza de la transición al estado ".
La necesidad de alta presión limita lo que es experimentalmente factible en este momento. Sin embargo, Rønnow y Ruegg están construyendo un nuevo espectrómetro de neutrones CAMEA en el Instituto Paul Scherrer, que estará listo a finales de 2018, así como otrouno en la Fuente de Espalación Europea en Suecia, que entrará en funcionamiento en 2023. El estado de 4 vueltas en borato de estroncio y cobre estará entre los primeros experimentos para estas nuevas máquinas. Como siguiente paso, los experimentos que combinan campos magnéticos y de presión pueden dar accesoa fases aún no descubiertas en materiales cuánticos.
"La física cuántica de muchos cuerpos sigue siendo un desafío donde la teoría solo ha arañado la superficie de cómo tratarlo", dice Rønnow. "Mejores métodos para abordar los fenómenos cuánticos de muchos cuerpos tendrían implicaciones desde la ciencia de los materiales hasta la tecnología de información cuántica."
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Materiales proporcionados por Escuela Politécnica Federal de Lausana . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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