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Experimentos cuánticos que simulan dispositivos de estado sólido

Un equipo de científicos desarrolló un sistema experimental para controlar el transporte en gases atómicos en busca de analogías con la física del estado sólido. Las simulaciones cuánticas arrojan luz sobre temas que van desde la computación cuántica a la estructura del Universo.
Experimentos cuánticos que simulan dispositivos de estado sólido
Los fermiones son partículas cuánticas, como los nucleones o los electrones, que son componentes básicos de la materia. El comportamiento de los materiales depende de la interacción de su naturaleza fermiónica, su estructura cristalina interna y las interacciones entre sus constituyentes. Esta compleja estructura interna sigue siendo en gran medida desconocida, aunque tiene una relación directa con la superconductividad, la computación cuántica e incluso la organización del Universo.

Los gases atómicos ultrafríos producidos artificialmente han abierto la puerta a nuevos experimentos que exploran la interacción cuántica y la física cuántica de múltiples cuerpos. En los últimos años, los científicos han elaborado gases como estos para facilitar el estudio de su naturaleza fermiónica (gases de Fermi atómicos ultrafríos), lo que hace posible estudiar complejas estructuras cuánticas, transiciones en los estados e interacciones entre el espín y los electrones.

Los científicos utilizaron la simulación cuántica empleando gases de Fermi de interacción fuerte en el marco del proyecto «Microscopy of interacting Fermi-gases: High-resolution imaging and statistical properties» (MIGROS), financiado por la Unión Europea. Usando microscopios de alta resolución, los investigadores observaron por primera vez el comportamiento de pequeños conjuntos de átomos fermiónicos ultrafríos en una gran nube, demostrando que dos magnitudes —las fluctuaciones del espín total y la susceptibilidad de espín— no pueden ser explicadas por las descripciones clásicas.

En una instalación experimental con dos depósitos conectados por un canal, los científicos estudiaron la conducción de fermiones emulando el transporte de electrones en una nanoestructura y proporcionando analogías con la física del estado sólido. También consiguieron observar transiciones a la superfluidez y la resistencia muy baja asociada en su inicio, así como el comportamiento de superfluidos en diversas condiciones. La superfluidez está intrínsecamente relacionada con la superconductividad e incluso con la comprensión de las estrellas de neutrones y los plasmas de quarks y gluones.

La manipulación y visualización del comportamiento de los gases de Fermi ultrafríos en un modelo simulado ha allanado el camino para el estudio del transporte de espín en sistemas atómicos fríos. Las transiciones de fase observadas exhiben propiedades de transporte universales relacionadas con los conceptos más fundamentales de la física teórica. Así, un nuevo y apasionante modelo de sistema experimental promete hacer posible la comprobación de las teorías sobre la estructura del Universo, incluyendo la naturaleza del espacio-tiempo en las proximidades de un agujero negro.

En un plano más práctico, esta instalación permite la simulación cuántica de materiales y también de dispositivos formados por más de un componente. Estos avances prometen arrojar más luz sobre conceptos de los ordenadores cuánticos y las máquinas cuánticas.

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