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Los físicos crean un nuevo estado de la materia a partir de una sopa cuántica de partículas magnéticamente extrañas

El nuevo material funciona formando triángulos a partir de los estados de giro de un átomo. Crédito de la imagen: Phillip Tur a través de Shutterstock

Los científicos han descubierto una hipótesis de larga data, nunca antes vista estado de la materia en el laboratorio por primera vez.

Al disparar láseres a una red ultra fría de rubidio átomos , los científicos han empujado a los átomos a una sopa desordenada de incertidumbre cuántica conocida como líquido de espín cuántico.

Los átomos en esta sopa magnética cuántica se conectaron rápidamente, uniendo sus estados en todo el material en un proceso llamado entrelazamiento cuántico . Esto significa que cualquier cambio en un átomo causa cambios inmediatos en todos los demás en el material; este avance podría allanar el camino para el desarrollo de computadoras cuánticas aún mejores, dijeron los investigadores en un artículo que describe sus hallazgos el 3 de diciembre.en la revista ciencia .

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"Es un momento muy especial en el campo", dijo el autor principal Mikhail Lukin, profesor de física en la Universidad de Harvard y codirector de la Iniciativa Cuántica de Harvard. dicho en un comunicado . "Realmente se puede tocar, pinchar y pinchar en este estado exótico y manipularlo para comprender sus propiedades. Es un nuevo estado de la materia que la gente nunca ha podido observar".

Teorizado por primera vez en 1973 por el físico Philip Anderson, los líquidos de espín cuántico surgen cuando se engatusa a los materiales para que desobedezcan las reglas habituales que gobiernan su comportamiento magnético.

Los electrones tienen una propiedad llamada espín, un tipo de momento angular cuántico, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En los imanes normales como los que la gente pone en el refrigerador, los espines de los electrones vecinos se orientan hasta que todos apuntan haciala misma dirección, generando a campo magnético . En materiales no magnéticos, los espines de dos electrones vecinos pueden girar para oponerse entre sí. Pero en cualquier caso, los diminutos polos magnéticos forman un patrón regular.

En los líquidos de espín cuántico, sin embargo, los electrones se niegan a elegir. En lugar de sentarse uno al lado del otro, los electrones están dispuestos en una red triangular, de modo que cualquier electrón tiene dos vecinos inmediatos. Dos electrones pueden alinear sus espines, peroun tercero siempre será el extraño, destruyendo el delicado equilibrio y creando un revoltijo en constante cambio de electrones agitados.

Este estado desordenado es lo que los investigadores llaman un imán "frustrado". Como los estados de espín ya no saben en qué dirección apuntar, los electrones y sus átomos son arrojados a una extraña combinación de estados cuánticos llamada superposición cuántica.-Los espines fluctuantes ahora existen simultáneamente cuando giran hacia arriba y hacia abajo, y el cambio constante hace que los átomos en todo el material se entrelacen entre sí en un estado cuántico complejo.

Los investigadores no pudieron estudiar directamente el líquido de espín cuántico ideal, por lo que crearon un facsímil casi perfecto en otro sistema experimental. Enfriaron una matriz de 219 átomos de rubidio atrapados, que se pueden usar para diseñar y simular minuciosamente varios procesos cuánticos.a temperaturas de aproximadamente 10 microkelvins cerca del cero absoluto o menos - 273,15 grados Celsius ° Celsius.

Ocasionalmente, uno de los electrones en un átomo está en un nivel de energía mucho más alto que los otros, lo que coloca al átomo en lo que se conoce como estado de Rydberg. Al igual que con los estados de espín, las reglas espeluznantes de mecánica cuántica asegúrese de que un átomo no quiera estar en un estado de Rydberg si su vecino lo está. Al disparar láseres a ciertos átomos dentro de la matriz, los investigadores imitaron el tira y afloja de tres vías visto en un líquido de espín cuántico tradicional.

Tras la creación de su sopa de Rydberg cuántica, los investigadores realizaron pruebas en la matriz y confirmaron que sus átomos se habían entrelazado en todo el material. Habían creado un líquido de espín cuántico.

Los científicos luego centraron su atención en una prueba de prueba de concepto para su posible aplicación: diseñar los qubits, o bits cuánticos, de una computadora cuántica. Mientras que las computadoras ordinarias usan bits, o 0 y 1 para formar la base de todos los cálculos,Las computadoras cuánticas usan qubits, que pueden existir en más de un estado a la vez. Sin embargo, los qubits son increíblemente frágiles; cualquier interacción con el mundo exterior puede destruir fácilmente la información que contienen.

Pero la naturaleza especial del entrelazamiento de todo el material del líquido de espín cuántico, sin embargo, podría permitir un almacenamiento de información mucho más robusto. Eso es porque en lugar de codificar la información cuántica en un solo qubit, podría permitir que la información esté contenida en la forma- o la topología - que los estados de espín entrelazados crean en todo el material en sí; creando un "qubit topológico". Al codificar la información en la forma formada por múltiples partes en lugar de una sola parte, es mucho menos probable que el qubit topológico pierda todosu información.

La prueba de concepto de los investigadores creó solo un pequeño qubit topológico, de solo unas pocas decenas de átomos de largo, pero en el futuro, esperan crear otros mucho más grandes y prácticos.

"Aprender a crear y utilizar tales qubits topológicos representaría un paso importante hacia la realización de computadoras cuánticas confiables", dijo en el comunicado la coautora Giulia Semeghini, física cuántica de la Universidad de Harvard.pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero aún tenemos que demostrar cómo se puede codificar y manipular. Ahora hay mucho más por explorar ".

Publicado originalmente en Rhythm89.

Ben Turner es un redactor de Rhythm89 que trabaja en el Reino Unido. Cubre la física y la astronomía, entre otros temas como animales extraños y el cambio climático. Se graduó en el University College London con una licenciatura en física de partículas antes de formarse como periodista. Cuando no lo estáescribiendo, a Ben le gusta leer literatura, tocar la guitarra y avergonzarse de sí mismo con el ajedrez.