Unidad de Comunicación

Un grupo de académicos del Instituto de Física de la UNAM ha publicado un trabajo en el que describen cómo la relación del magnetismo, las redes ópticas, el enredamiento y las interacciones magnéticas inducidas por una cavidad de alta reflectancia permiten controlar el surgimiento de fases magnéticas en la materia cuántica en sistemas ultrafríos.

En este nuevo estudio publicado en la revista Physical Review Letters, el grupo liderado por el doctor Santiago Caballero Benítez, investigador del Departamento de Física Cuántica y Fotónica, y también parte del Laboratorio para Simulaciones Computacionales de Sistemas Cuánticos (LSCSC), y en el Laboratorio Nacional de Materia Cuántica (LANMAC), exploró los efectos de las interacciones magnéticas de largo alcance de la cavidad y el enredamiento en la materia ultrafría, además de que demostró que los ferromagnetos y los antiferromagnetos pueden ser producidos de manera eficiente, y que nuevas fases correlacionadas de la materia pueden emerger.

Es así que el trabajo muestra la posibilidad de control arbitrario de las distintas propiedades magnéticas en diferentes fases de la materia. “Se podría tener sodio, que es antiferromagnético, pero con la cavidad se puede hacer que se comporte como un ferromagneto de manera efectiva”, mencionó el doctor Caballero, además de explicar de la situación similar y contraria para el rubidio, pues con la cavidad podría comportarse como antiferromagneto. “Podemos hacer que estén en un régimen en el que sus propiedades de transporte y de fluidez sean completamente diferentes: si es un aislante o es un superfluido, mostramos que, controlando la profundidad de la red óptica y las propiedades de la cavidad, podemos controlar el sistema más allá de lo que la naturaleza típicamente permite”, agregó.

A esto, sumó el hecho de que el equipo académico describió la existencia de otras fases de organización de los átomos que no se encontraban descritas, debido a que se puede tener más componentes que modifican la manera en que se entiende un antiferromagneto típico de materia condensada.

El grupo, que incluyó a los estudiantes Karen Lozano Méndez, de la licenciatura en Física por la Facultad de Ciencias de la UNAM, y Alejandro H. Cásares, de la Maestría en Ciencias Físicas de la misma Universidad, desarrolló en su totalidad el código computacional para la simulación y análisis, lo que implicó realizar cálculos sofisticados debido a que “por la interacción en la cavidad, el enredamiento en el sistema crece mucho, porque todos los átomos están acoplados de manera no trivial”, comentó el doctor Caballero. “Matemáticamente, aún utilizando técnicas optimizadas para poder describir sistemas en una dimensión, como Density Matrix Renormalization Group (DMRG), cuesta muchos recursos computacionales y mucho tiempo de simulación”. Para ello, utilizaron una combinación de técnicas de simulación computacional en sistemas grandes y cálculos numéricamente exactos para sistemas pequeños, que son elementos a destacar de este trabajo.

En este artículo, los autores despliegan la explicación teórica de dichas propiedades de sistemas altamente correlacionados de materia cuántica a temperaturas ultrafrías, junto con la propuesta de lo experimental, pues como lo comentó el doctor Caballero: “Para la teoría que calculamos y que hicimos efectiva, el experimento aún no existe como tal. Tuvimos que explicar sus componentes y las condiciones del sistema, lo cual es complicado en un artículo de teoría”. A esto agregó que la intención del artículo fue demostrar que es posible llevar al sistema a lo que aún se desconoce y predecir el resultado. “Estamos tomando todos los ingredientes necesarios, que además son consistentes con la realidad experimental atómica y viables en el futuro cercano”, comentó.

Como parte de las conclusiones en el artículo, los autores mencionan que esta propuesta permite nuevas alternativas hacia el diseño de mecanismos robustos para propósitos de información cuántica, explotando las propiedades de las fases magnéticas de la materia cuántica correlacionada fuertemente. “Los átomos se van a ordenar de una cierta manera con algunas propiedades cuánticas, que pueden ser superfluidez, que el transporte está disminuido por las interacciones aislantes, y además se pueden generar patrones en la densidad o patrones en la estructura magnética con enredamiento cuántico. Hay un acoplamiento global”, apuntó.

Para el estudio a futuro, el doctor Caballero considerará estudiar otras condiciones geométricas de la luz y del campo magnético aplicado, esperando observar patrones espaciales de la materia. “Vamos a tener ordenamiento magnético global que puede tener estructura, que además compite con el ordenamiento espacial, que también tiene interacciones espaciales globales”, mencionó. Además, trabajarán el caso de tres proyecciones de espín, cuando se consideran todos los estados internos así como la dinámica temporal del sistema. Estudiarán la manera en que se pueden manipular y cómo es posible utilizar las propiedades de los mismos para modificar los procesos de información cuántica y propiedades útiles que puedan tener para tecnologías cuánticas. Asimismo, revisarán el efecto de las mediciones cuánticas, pues como lo dice el doctor Caballero, “cuando mido un fotón o cuando se escapa de la cavidad, cambio el estado de muchos cuerpos del sistema y, por medición débil, va a suceder otro tipo de dinámica disipativa, algo que vamos a explorar”, apuntó.