La investigación utiliza tecnologías cuánticas para probar la teoría de campos conforme

Los científicos de la física han empleado recursos tecnológicos cuánticos de vanguardia para verificar las proyecciones de una doctrina de décadas de antigüedad. El estudio se centra en teorías que describen el comportamiento de los materiales en transiciones de fase.

Cuando la materia pasa de una etapa a otra, sustancias con diferentes características pueden, inesperadamente, exhibir patrones matemáticos idénticos. Fenómenos como la ebullición del agua o la pérdida de fuerza magnética de un imán ilustran estas transiciones de fase.

“Los detalles complejos a nivel microscópico desaparecen, dejando sólo unos pocos rastros fundamentales”, explica Jason Alicea, profesor de Física Teórica en la Cátedra William K. Davis. Señala que este comportamiento universal, crucial para simplificar la comprensión de sistemas complejos en física, se describe en gran medida mediante una formulación matemática llamada teoría de campos conforme.

En un estudio publicado en la revista Nature, el equipo experimental del profesor de física de Caltech Manuel Endres y el grupo teórico de Alicea colaboraron con investigadores de la Universidad Paris-Saclay y la Universidad Técnica de Munich. Exploraron experimentalmente dos variantes distintas de la teoría conforme de campos utilizando simuladores cuánticos, que son plataformas específicas para determinadas operaciones, vinculadas al desarrollo de ordenadores cuánticos.

Con la tecnología desarrollada para estos simuladores, los investigadores pudieron medir, de forma directa y sin precedentes, los niveles de energía en un material cuántico artificial, tal y como predicen las teorías de campo conforme de Ising y tricrítico de Ising. El término Ising se refiere a Ernst Ising, un físico que, en la década de 1920, aclaró uno de los primeros modelos de magnetismo. Los dos enfoques teóricos describen una manifestación universal que surge cuando un sistema cuántico, que tiene características como entrelazamiento y superposición, alcanza una fase crítica entre dos estados, uno de los cuales está más organizado.

A diferencia de un cambio de estado común, como la vaporización del agua, esta transformación se genera exclusivamente por fenómenos cuánticos y es independiente de la temperatura, produciéndose cerca del cero absoluto. En el punto crítico, los rayos láser son capaces de estimular el sistema en una serie de energías específicas, que se asemejan a pasos. “Estos niveles de energía proyectados por las teorías son cruciales ya que contienen información detallada sobre las doctrinas mismas”, dijo Alicea.

La tecnología cuántica pone a prueba proyecciones teóricas de larga data

Durante aproximadamente cuatro décadas, los científicos de la física han empleado teorías de campos conformes para anticipar las proporciones exactas que delimitan estos niveles de energía. Sin embargo, hasta el presente estudio, estas distancias energéticas nunca habían sido verificadas mediante experimentos.

“Nuestras nuevas herramientas se inspiraron en plataformas de computación cuántica”, dijo Xiangkai Sun, coautor principal del estudio y estudiante de posgrado en el laboratorio de Endres. “Durante los últimos diez años, hemos aprendido a controlar estos sistemas y ahora podemos aplicarlos para realizar investigaciones fundamentales en física”.

El equipo de investigación montó el sistema cuántico utilizando una técnica que también se aplica en el laboratorio de Endres para ordenadores cuánticos: disposiciones de átomos neutros fijados mediante rayos láser, conocidos como pinzas ópticas. Recientemente, un sistema similar en el laboratorio logró atrapar 6.100 átomos en una sola formación. Aunque las pinzas ópticas se desarrollaron principalmente para la computación cuántica, los científicos las utilizaron en esta investigación para explorar una cuestión esencial de la física.

El espectro esperado surge de cadenas de átomos.

El proceso experimental comenzó con el posicionamiento de átomos de estroncio en fila, utilizando pinzas ópticas. Los láseres complementarios indujeron a los átomos a estados de Rydberg de alta energía, intensificando la interacción entre los átomos cercanos. Estas interacciones llevaron a toda la cadena a un comportamiento unificado, en contraste con las partículas aisladas. Luego, los científicos calibraron los láseres hasta que el sistema alcanzó el nivel crítico predicho por la teoría.

Para medir los niveles de energía, los investigadores crearon un método llamado espectroscopia de modulación de muchos cuerpos. Estimularon delicadamente la cadena atómica, cambiando los láseres a frecuencias específicas y observando la intensidad de la reacción de los átomos. Al examinar las frecuencias y detectar los picos de respuesta, fue posible reconstruir la escala de energía. El concepto es similar a deslizar un dedo mojado por el borde de una copa de vino: el recipiente vibra intensamente a la frecuencia exacta, pero responde poco si la frecuencia es incorrecta.

“Reprodujimos el experimento en cadenas con hasta 35 átomos, y las etapas surgieron como esperaba la teoría de campo conforme de Ising: los espectros convergieron a una curva universal singular después de ser ajustados por tamaño”, dijo Sun. “A continuación, calibramos el punto tricrítico y medimos los niveles inferiores de su espectro particular, que se manifiestan en las diferentes proporciones prescritas por la teoría”.

El descubrimiento de un nuevo patrón energético es posible gracias a la simetría

El control individualizado de cada átomo permitió a los investigadores realizar mediciones que serían inviables en sustancias comunes. Ordenar las excitaciones en función de su simetría sacó a la luz una segunda categoría de niveles de energía, que no habían sido identificadas en la medición inicial. La modificación de los átomos en los extremos de la cadena también alteró la escala de energía, dando lugar a disposiciones distintas de las previstas por la teoría tricrítica de Ising.