Descubrimiento de una nueva fase de la materia en 2D que desafía la mecánica estadística ordinaria.

Como sugiere el nombre, el vidrio Bose tiene algunas propiedades vítreas y todas las partículas se localizan en su interior. Esto significa que cada partícula del sistema se adhiere a sí misma y no se mezcla con sus vecinas. Si el café fuera domesticado, al mezclar la leche con el café, el complejo patrón de rayas blancas y negras permanecería para siempre, en lugar de desaparecer al promedio.

Para crear esta nueva fase de la materia, el grupo superpuso varios rayos láser para crear un patrón cuasiperiódico, un patrón que se dispone a lo largo de largas distancias como un cristal convencional, pero no periódico, lo que significa que, como el mosaico de Penrose, nunca se repite. Al llenar la estructura resultante con átomos ultrafríos enfriados a temperaturas de nanokelvin, cercanas al cero absoluto, los átomos formaron vidrio de Bose.

“La localización no sólo es uno de los problemas más difíciles de resolver en la mecánica estadística, sino que también puede ayudar a avanzar en la computación cuántica”, dijo Ulrich Schneider, profesor de física de muchos cuerpos en el Laboratorio Cavendish, quien dirigió el estudio. Dado que un sistema localizado no se disuelve de su entorno, la información cuántica almacenada en el sistema localizado se conservará durante mucho tiempo.

“Una de las principales limitaciones de los grandes sistemas cuánticos es que no podemos modelarlos en una computadora”, dijo Schneider. “Para describir un sistema con precisión, tenemos que considerar todas sus partículas y todas sus configuraciones posibles, un número que crece exponencialmente. Sin embargo, ahora tenemos un ejemplo 2D de la vida real que podemos estudiar directamente y observar su dinámica y estadística”.

Schneider y su equipo se centran en la investigación de simulación cuántica y dinámica cuántica de muchos cuerpos. Utilizan átomos ultrafríos para estudiar muchos efectos físicos que, en ausencia de una gran computadora cuántica completa, no pueden simularse numéricamente.

A menudo, este problema se simplifica significativamente porque el sistema siempre está en reposo en un estado térmico en el que sólo importa la temperatura del sistema y la mayoría de los demás detalles desaparecen. Esto se llama ergódico y forma la base de la mecánica estadística, un pilar de cómo entendemos la materia. “Por ejemplo, con sólo saber la cantidad de leche añadida se puede predecir el color final de nuestro café después de un largo periodo de agitación”, explica Schneider. “Sin embargo, si queremos predecir la estructura completa de la cuajada blanca y oscura durante el batido, es importante saber dónde se vertió la leche y cómo se realiza correctamente el batido”.

Curiosamente, el cristal de Bose parece no ser ergonómico. Esto significa que no “olvida sus detalles”, por lo que necesitará todos los detalles para modelarlo. Esto lo convierte en un candidato ideal para la localización en múltiples cuerpos.

“Ha sido un deseo a largo plazo encontrar un sistema o material que tenga múltiples localizaciones corporales”, dijo el Dr. Junior Cheon Yu, primer autor del estudio. “Estos materiales ofrecerían muchas posibilidades nuevas no sólo para los estudios fundamentales sino también para la construcción de ordenadores cuánticos, ya que la información cuántica almacenada en un sistema de este tipo debería permanecer más localizada y no escaparse a su entorno. – un proceso llamado ‘decoherencia’ que subyace a muchas plataformas de computación cuántica existentes”.

En el experimento, los investigadores observaron una transición de fase sorprendentemente rápida del vidrio Bose a un superfluido, similar a cómo se derrite el hielo cuando aumenta la temperatura. “Un superfluido es un fluido que fluye sin resistencia”, dijo el Dr. Bo Song, investigador asociado postdoctoral en Cambridge y ahora profesor asistente en la Universidad de Pekín, que participó en la investigación. “Imagínese las partículas como si estuvieran nadando a través de un superfluido; no habría fricción y el fluido no las frenaría. Esta propiedad, llamada superfluidez, está estrechamente relacionada con la superconductividad. Otra fase cuántica Con , el aislador Mott recientemente observado , el vidrio de Bose y el superfluido Bose forman los estados fundamentales del modelo de Hubbard que describe la física de los bosones en sistemas interactuantes y desordenados”.

Los vasos Bose y los superfluidos son fases separadas de la materia, como el hielo y el agua líquida. Sin embargo, como un cubo de hielo en un vaso de agua, los átomos de su sistema pueden formar ambas fases dentro de un mismo experimento. Los resultados experimentales, que confirman predicciones teóricas recientes, muestran cómo se forma y evoluciona el vidrio Bose, por lo que los científicos ahora pueden empezar a pensar en sus aplicaciones.

Sin embargo, si bien existen interesantes oportunidades para el futuro, Schneider cree que debemos actuar con cautela. “Hay muchas cosas que todavía no entendemos sobre las gafas Bose y su posible relación con la localización de múltiples cuerpos, tanto su termodinámica como sus propiedades cinéticas. Para intentar encontrarnos, primero debemos centrarnos en responder estas preguntas antes de utilizarlas”. concluyó Schneider.