Los investigadores observan una transición de fase en una cadena 1D de átomos utilizando un simulador cuántico

Las transiciones de fase, los cambios entre diferentes estados de la materia, se exploran los fenómenos físicos ampliamente explorados. Hasta ahora, estas transiciones se han estudiado principalmente en sistemas tridimensionales (3D) y bidimensionales (2D), pero las teorías sugieren que también podrían ocurrir en algunos sistemas unidimensionales (1D).

Investigadores en el Duke Quantum Center y la Universidad de Maryland informaron recientemente la primera observación de una transición de fase de energía finita en una cadena 1D de átomos simulados en un dispositivo cuántico. Su papel, publicado en Física de la naturalezaPresenta un enfoque prometedor para realizar estados de energía finita en plataformas de simulación cuántica, que abre nuevas posibilidades para el estudio de las transiciones de fase en sistemas 1D.

El estudio reciente es un esfuerzo colaborativo que combinó el trabajo de los físicos teóricos en la Universidad de Maryland con el de físicos experimentales en el Duke Quantum Center, donde el el simulador se colocó y donde se llevaron a cabo los experimentos.

«Nuestra investigación fue impulsada por un deseo de comprender los estados fundamentales en los que puede existir», dijo a Phys.org el autor teórico principal de Alexander Schuckert. «Específicamente, nuestro objetivo fue explorar un cambio de fase en una cadena de átomos unidimensionales (1D), un fenómeno que se había predicho teóricamente pero que no se observó experimentalmente».

Las teorías físicas convencionales sugieren que las transiciones de fase, como la congelación del agua en hielo o un imán que pasan de un estado magnetizado a un estado desmagnetizado, no ocurren en sistemas 1D. Sin embargo, algunos físicos sugirieron recientemente que, en algunas condiciones específicas, las transiciones de fase podrían tener lugar en una sola dimensión.

«Las teorías de los héroes de la física Dyson y ThooUnless (ganadores del Premio Nobel) propusieron que si los átomos interactúan a largas distancias, estas transiciones podrían ocurrir», dijo Schuckert. «Nuestro objetivo principal era crear un entorno controlado usando un simulador cuántico para observar este cambio de fase evasivo «.

Utilizando un dispositivo conocido como un simulador cuántico de iones atrapados, los investigadores pudieron simular un sistema compuesto por 23 iones ytterbium (es decir, átomos cargados) dispuestos en una cadena 1D. Este dispositivo fue construido en un esfuerzo de varios años dirigido por Christopher Monroe en el Duke Quantum Center. Monroe supervisó la investigación junto con los profesores Gorshkov y Hafezi en la Universidad de Maryland.

«Al controlar cuidadosamente las interacciones entre estos iones utilizando campos electromagnéticos, construimos efectivamente un imán 1D, átomo por átomo usando este simulador cuántico», explicó o Katz, el autor experimental principal del documento. «Un gran desafío en los simuladores cuánticos es calentar efectivamente el sistema, observar una transición de fase en función de la temperatura (o de manera equivalente, la energía) porque esto requiere acoplamiento a un baño de calor.

«Por ejemplo, al calentar agua en una tetera, acoplamos el agua con una placa de metal calentada. Sin embargo, esto es un desafío en los simuladores cuánticos porque cualquier acoplamiento a un baño interrumpiría el estado cuántico».

Para superar los desafíos asociados con el calentamiento de sistemas en simuladores cuánticos, Schuckert ideó una nueva técnica experimental. Esta técnica fue implementada con éxito por Katz y Monroe como parte de los experimentos realizados en el Duke Quantum Center.

Esencialmente, esta técnica consiste en preparar iones en una condición inicial específica y luego permitirles evolucionar siguiendo su propia dinámica natural. Esta evolución natural imitó los efectos que tendrían lugar después de un aumento de la temperatura.

«Usando este método, observamos la transición del sistema de un estado magnetizado (ordenado) a un estado no magnetizado (desordenado), confirmando la aparición del cambio de fase», dijo Katz. «Nuestro logro más significativo fue la primera observación experimental de una transición de fase en una cadena 1D de átomos, un fenómeno que nunca se había observado en un sistema físico.

«Esto fue posible gracias a la capacidad de nuestro experimento en Duke para diseñar interacciones de largo alcance entre los iones y prepararlos efectivamente en un estado acalorado».

Los resultados de este estudio reciente destacan el potencial de los simuladores cuánticos como herramientas para explorar estados exóticos de la materia. En el futuro, los métodos experimentales diseñados por Katz, Monroe, Schuckert y sus colegas ayudan a comprender mejor los materiales cuánticos complejos, lo que a su vez podría informar el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.

«Una posible vía para futuras investigaciones será expandir esta investigación organizando iones en matrices bidimensionales, lo que permitiría el estudio de sistemas más complejos y potencialmente descubrir nuevas fases de la materia», agregó Schuckert.

«También nuestro objetivo es extender nuestro método de preparación de estado calentado a modelos de materiales más complejos, particularmente para estudiar temperaturas bajas (pero finitas), ya que nuestros métodos actuales se limitan a temperaturas bastante altas. Lograr esto nos permitiría modelar un rango más amplio de fenómenos físicos y profundizar nuestra comprensión de los comportamientos cuánticos en varios materiales «.

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