En la experiencia cotidiana, la aplicación repetida de fuerza casi siempre produce calentamiento. Frotarse las manos calienta la piel. Golpear el metal con un martillo lo calienta al tacto. Incluso sin una formación formal en física, la gente aprende rápidamente una regla básica: cuando impulsas un sistema moviéndolo, presionándolo o golpeándolo, su temperatura aumenta.
Los físicos esperan el mismo comportamiento en escalas mucho más pequeñas. En los sistemas cuánticos compuestos por muchas partículas que interactúan, generalmente se supone que las excitaciones persistentes causan una absorción de energía constante. A medida que se genera energía, el sistema debería calentarse. Pero un experimento reciente sugiere que esta idea no siempre se aplica a nivel cuántico.
Los investigadores del grupo de Hans-Christoph Negerl del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck se propusieron comprobar si un sistema cuántico fuertemente impulsado se calentaría inevitablemente. Su respuesta fue inesperada.
Un gas cuántico que deja de absorber energía
El equipo ha creado un líquido cuántico unidimensional hecho de átomos que interactúan fuertemente y que se ha enfriado a sólo unos pocos nanokelvins por encima del cero absoluto. Utilizando luz láser, someten los átomos a un potencial reticular que se enciende y apaga rápida y repetidamente. Esta configuración creó un entorno pulsante regular que efectivamente impulsaba los átomos hacia adelante y hacia atrás.
En estas condiciones, los átomos deben absorber energía continuamente, de forma similar a cómo se genera impulso en un trampolín al saltar. En cambio, los investigadores vieron un cambio sorprendente. Después de un breve período inicial, la difusión del impulso del átomo se detiene. La energía cinética del sistema deja de aumentar y se detiene.
Aunque los átomos todavía se movían y continuaban interactuando fuertemente entre sí, ya no absorbían energía. El sistema entra en un estado conocido como localización dinámica de muchos cuerpos (MBDL). En esta condición, el impulso queda bloqueado en lugar de extenderse libremente.
“En este estado, la coherencia cuántica y el entrelazamiento de muchos cuerpos impiden que el sistema muestre termalización y comportamiento disociativo, incluso bajo una conducción externa sostenida”, explica Hans-Christoph Negerl. “La distribución del impulso esencialmente se congela y conserva la estructura que tiene”.
Un resultado ordenado que desafió las expectativas
Los resultados sorprendieron incluso a los científicos involucrados. El autor principal, Yanliang Guo, reconoció que el comportamiento iba en contra de sus predicciones. “Al principio esperábamos que los átomos comenzaran a volar, pero en cambio se comportaron de una manera sorprendentemente ordenada”.
Lei Ying, investigador de la Universidad de Zhejiang en Hangzhou, China, comparte esa reacción. “Esto no se ajusta a nuestras ingenuas expectativas. Lo más interesante es que en un sistema fuertemente impulsado y que interactúa fuertemente, la coherencia de muchos cuerpos puede detener claramente la absorción de energía. Esto va en contra de nuestra intuición clásica y revela una notable estabilidad en la raíz de la mecánica cuántica”.
Eng también señaló que recrear este comportamiento mediante simulaciones por computadora clásicas es extremadamente desafiante. “Por eso necesitamos experimentos. Van de la mano con nuestras simulaciones teóricas”.
Por qué es importante la coherencia cuántica
Para ver cuán fuerte era realmente esta condición inusual, los investigadores modificaron el experimento agregando aleatoriedad a la secuencia de conducción. El efecto fue inmediato. Incluso una pequeña cantidad de desorden era suficiente para destruir la localización.
Una vez que se altera la coherencia, los átomos se comportan de manera más convencional. Su impulso se extiende nuevamente, la energía cinética aumenta rápidamente y el sistema comienza a absorber energía sin límite. “Este experimento destaca que la coherencia cuántica es crucial para prevenir la termalización en sistemas de muchos cuerpos impulsados por este tipo de sistemas”, dijo Nagaral.
Implicaciones de la futura tecnología cuántica
El descubrimiento de MBDL tiene implicaciones que se extienden más allá de la física fundamental. Prevenir el calentamiento no deseado es uno de los mayores desafíos que enfrenta el desarrollo de simuladores y computadoras cuánticos. Estos dispositivos dependen del mantenimiento de estados cuánticos delicados que pueden perderse fácilmente mediante la acumulación de energía y la decoherencia.
“Este experimento proporciona una manera precisa y altamente ajustable de explorar cómo los sistemas cuánticos pueden resistir la atracción del caos”, dijo Guo. Al demostrar que la calefacción se puede apagar por completo en las condiciones adecuadas, los resultados desafían las suposiciones arraigadas sobre cómo se comporta la materia cuántica conductora.
La investigación abre nuevas vías para comprender cómo los sistemas cuánticos pueden permanecer estables cuando se les aleja del equilibrio.
El estudio fue publicado ciencia y ha recibido apoyo financiero del Fondo Austriaco para la Ciencia FWF, la Agencia Austriaca de Promoción de la Investigación FFG y la Unión Europea, entre otros.
