Jugando con luz y moléculas: una plataforma versátil para explorar materia cuántica exótica

Los efectos cuánticos pueden resultar esquivos, intrincados y profundamente complejos. Es por eso que, a veces, los investigadores diseñan plataformas específicas que imitan estos fenómenos cuánticos de manera "limpia" y controlable, minimizando las perturbaciones que a menudo se encuentran en la naturaleza. Resulta que, a veces, estos sistemas sintéticos de materia cuántica son su único medio para comprender tales efectos.

Tradicionalmente, los investigadores han utilizado átomos ultrafríos para diseñar interacciones cuánticas complejas, incluidos los acoplamientos no locales (interacciones que se extienden a lo largo de todo el sistema, permitiendo que átomos distantes se influyan mutuamente). Los acoplamientos no locales se encuentran en la base de varias propiedades cuánticas fundamentales como el entrelazamiento, y pueden por tanto dar lugar a fenómenos de interés. La llamada frustración geométrica, por ejemplo, es uno de estos fenómenos, en el cual estas interacciones impiden que el sistema se asiente en una única configuración al minimizar su energía, lo que puede conducir a fases exóticas de la materia.

Estas plataformas, pese a ser efectivas, a menudo requieren de manipulaciones rápidas y repetitivas para inducir este tipo de fenómenos cuánticos, lo que puede desprender calor no deseado, e introducir decoherencia u otros efectos secundarios negativos. En la búsqueda de una plataforma versátil y más robusta, los investigadores de ICFO Pavel P. Popov y la Dr. Joana Fraxanet, dirigidos por el Prof. ICREA Maciej Lewenstein, y en colaboración con el Alumnus de ICFO el Dr. Luca Barbiero del Politécnico de Turín, han presentado un nuevo enfoque en Physical Review Letters que supera las limitaciones mencionadas.

Su propuesta requiere tan solo dos ingredientes principales: una nube de moléculas y luz. "Al dispersar un haz láser en estas moléculas, podemos crear un entorno controlable para los fotones que imita el comportamiento de los electrones en un material sólido", explica Pavel Popov, primer autor del artículo. Las moléculas en la nube, sin embargo, deben estar distribuidas de una manera particular. Controlando y modificando cuidadosamente esta distribución espacial, los investigadores pueden ajustar cómo los fotones dispersados se propagan e interactúan entre sí y con la nube. "Esta configuración es capaz de simular sistemas que son notoriamente difíciles de simular numéricamente, y lo hace de una manera muy versátil", añade el investigador.

De hecho, el equipo demostró teóricamente que, con los ajustes apropiados, pueden emerger fenómenos físicos exóticos, incluyendo acoplamientos no locales, frustración geométrica e incluso campos artificiales de tipo magnético, que afectan el movimiento de la luz de manera similar a como los campos magnéticos reales afectan a los electrones. De realizarse experimentalmente, su modelo podría convertirse en una plataforma ideal para jugar con la luz y las moléculas, y así explorar superfluidos quirales, transiciones de fase exóticas, fases topológicas de la materia y otras fases cuánticas que aún están por descubrir.

Según el Prof. Maciej Lewenstein, investigador principal del estudio: "Comprender la física que este tipo de sistemas albergan puede dar lugar a un progreso tecnológico que a su vez podría, por ejemplo, ayudarnos a construir superconductores a temperatura ambiente".

Referencia:

Pavel P. Popov and Joana Fraxanet and Luca Barbiero and Maciej Lewenstein, Geometrical frustration, power law tunneling and nonlocal gauge fields from scattered light, Phys. Rev. Lett. 136, 103403 (2026).

DOI: https://doi.org/10.1103/hndj-8tj1

Agradecimientos:

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