Investigadores del Laboratorio Cavendish han modelado una caminata cuántica de partículas idénticas que pueden cambiar su carácter fundamental simplemente saltando a través de una pared de dominio en una red unidimensional.
Sus hallazgos, publicados como Carta en Investigación de revisión física, abre una ventana para diseñar y controlar nuevos tipos de movimiento colectivo en el mundo cuántico.
Todas las partículas fundamentales conocidas se dividen en dos grupos: un fermión "partícula de materia" o un bosón "portador de fuerza", dependiendo de cómo se ve afectado su estado cuando se intercambian dos partículas. Esta "estadística de intercambio" afecta fuertementesu comportamiento, con fermiones electrones que dan lugar a la tabla periódica de elementos y bosones fotones que conducen a la radiación electromagnética, energía y luz.
En este nuevo estudio, los físicos teóricos muestran que, al aplicar un campo magnético efectivo que varía en el espacio y con la densidad de las partículas, es posible persuadir a las mismas partículas para que se comporten como bosones en una región y pseudofermiones en otra.Los límites que separan estas regiones son invisibles para cada partícula y, sin embargo, alteran drásticamente su movimiento colectivo, lo que lleva a fenómenos sorprendentes como partículas atrapadas o fragmentadas en muchos paquetes de ondas.
"Todo lo que vemos a nuestro alrededor está formado por bosones o fermiones. Estos dos grupos se comportan y se mueven de manera completamente diferente: los bosones intentan agruparse mientras que los fermiones intentan mantenerse separados", explicó el primer autor Liam LH Lau, quien llevó a caboesta investigación durante sus estudios universitarios en el Laboratorio Cavendish y ahora es estudiante de posgrado en la Universidad de Rutgers.
"La pregunta que hicimos fue si las partículas pudieran cambiar su carácter a medida que se mueven en una red unidimensional, nuestra noción de espacio".
Esta investigación está motivada en parte por las notables perspectivas de poder controlar la naturaleza de las partículas en el laboratorio. En particular, se ha descubierto que ciertos materiales bidimensionales albergan excitaciones similares a partículas que se encuentran entre bosones y fermiones --llamados "anyons", que podrían usarse para construir computadoras cuánticas robustas. Sin embargo, en todas las configuraciones hasta ahora, la naturaleza de las partículas es fija y no se puede cambiar en el espacio o el tiempo.
Al analizar modelos matemáticos, el presente estudio muestra cómo se pueden yuxtaponer dominios espaciales bosónicos, fermiónicos e incluso "anyónicos" en el mismo sistema físico, y explora cómo dos partículas pueden moverse de manera sorprendente a través de estas diferentes regiones.
"¡Los límites que separan estas regiones son muy especiales, porque son transparentes a las partículas individuales y, sin embargo, controlan la distribución final por cómo reflejan o transmiten dos partículas que llegan juntas!", dijo Lau. Los investigadores ilustran este "muchos cuerpos" efecto mediante el estudio de diferentes disposiciones de los dominios espaciales, que dan lugar a un movimiento colectivo sorprendentemente diferente de las dos partículas.
"Estas interferencias variables de dos partículas son fascinantes por derecho propio, pero las nuevas preguntas que abren para muchas partículas son aún más emocionantes", dijo el Dr. Shovan Dutta, coautor del estudio que concibió y supervisó la investigación en elCavendish y recientemente se mudó al Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos.
"Nuestro trabajo se basa en el progreso reciente en la ingeniería de campos magnéticos artificiales para átomos neutros, y las predicciones se pueden probar experimentalmente en configuraciones de redes ópticas existentes", agregó Dutta. "Esto abrirá el acceso a una clase rica de muchas partículas controlablesdinámica y, potencialmente, aplicaciones tecnológicas, incluso en la detección cuántica".
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Cambridge. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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