Supersolidez y magnetismo conviven en una red óptica
Por primera vez, una simulación numérica muestra una fase de la materia que combina supersolidez y magnetismo en una red óptica. El estudio, publicado en Physical Review Letters, propone un montaje experimental concreto para crear y detectar dichos estados, algo que, a largo plazo, podría facilitar el desarrollo de materiales exóticos para tecnologías cuánticas.
Tanto la supersolidez —una fase exótica de la materia en la que los átomos fluyen sin fricción como un superfluido, manteniendo al mismo tiempo el orden espacial periódico característico de un cristal— como el magnetismo se encuentran a la vanguardia de la investigación en física, a pesar de haber permanecido, por lo general, como campos de investigación independientes.
Sin embargo, en una publicación reciente en Physical Review Letters, un equipo internacional de investigadores, entre ellos el Prof. Maciej Lewenstein del ICFO, ha estudiado y simulado teóricamente fases de la materia que, por primera vez, combinan supersolidez y magnetismo. Los investigadores también han propuesto un montaje experimental concreto basado en átomos magnéticos (en particular, de disprosio) para la creación y detección de dichos estados.
Para ello, primero hay que colocar los átomos dentro de una red óptica, distribuidos en el espacio como huevos en una huevera. Se eligen átomos de disprosio precisamente porque poseen momentos dipolares magnéticos considerables, de manera que un átomo situado en un punto específico de la "huevera" puede sentir la repulsión magnética no solo de los átomos en las posiciones vecinas, sino también de átomos situados más lejos. Esto acaba distribuyendo los átomos siguiendo un patrón específico como en un sólido, pero con los átomos fluyendo sin perder coherencia, creando así un supersólido.
Lo que los investigadores han demostrado es que estos movimientos atómicos pueden generar flujos de corriente finitos, que en la práctica actúan como portadores de momentos magnéticos y, como tales, pueden dar lugar a un campo magnético. Dependiendo de cómo se ordenen estos flujos, el resultado es una fase ferrimagnética (si los flujos giran en direcciones opuestas, pero con intensidades desiguales) o ferromagnética (si todos giran en la misma dirección), de manera similar a cómo los espines electrónicos antialineados o alineados producen magnetismo en un imán.
"La coexistencia entre la supersolidez de red y el ordenamiento magnético de los flujos nunca se había estudiado antes", afirma Michele Miotto, investigador de la Technische Universität Berlin y primer autor del artículo. "Ahora, sin embargo, hemos demostrado cómo lograr un auténtico material magnético en el que el papel de los 'imanes' no lo desempeñan las propias partículas magnéticas, sino los bucles de corriente en un supersólido."
Por ahora, su estudio ha considerado un sistema unidimensional (es decir, átomos dispuestos a lo largo de una línea), pero los investigadores plantean la hipótesis de que extender este trabajo a dos dimensiones podría revelar una posible conexión entre la supersolidez y la topología, el campo que estudia cómo los patrones de entrelazamiento en materiales cuánticos con geometrías específicas dan lugar a distintas fases cuánticas.
Referencia:
Miotto M., et. al., Flux magnetism in a strongly interacting dipolar lattice supersolid under tunable gauge fields, Phys Rev Lett, 137, 043401 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1103/tbp3-7rh3
Agradecimientos:
We thank N. Baldelli, C. Cabrera, S. Dhar, A. Eckardt, F. Ferlaino, M. Landini, M. Mark, G. Modugno, L. Santos and G. Valtolina for discussions. M. M., L. T. and L. B. acknowledge funding from the Italian MUR (PRIN DiQut Grant No. 2022523NA7). M. M. acknowledges funding from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) via the Research Unit FOR 5688 (Project No. 521530974). P. L., G. F. and L. T. acknowledge funding from the European Union (European Research Council, SUPERSOLIDS, Grant No. 101055319). M. L. acknowledges support from: European Research Council AdG NOQIA; MCIN/AEI (PGC2018-0910.13039/501100011033, CEX2019000910-S/10.13039/501100011033, Plan National FIDEUA PID2019-106901GB-I00, Plan National STAMEENA PID2022-139099NB, I00, project funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “European Union NextGenerationEU/PRTR”; (PRTRC17.I1), FPI); QUANTERA DYNAMITE PCI2022132919, QuantERA II Programme co-funded by European Union’s Horizon 2020 program under Grant Agreement No 101017733; Ministry for Digital Transformation and of Civil Service of the Spanish Government through the QUANTUM ENIA project call - Quantum Spain project, and by the European Union through the Recovery, Transformation and Resilience PlanNextGenerationEU within the framework of the Digital Spain 2026 Agenda; Fundació Cellex; Fundació Mir-Puig; Generalitat de Catalunya (European Social Fund FEDER and CERCA program; Barcelona Supercomputing Center MareNostrum (FI-2023-3-0024); Funded by the European Union. (HORIZON-CL4-2022-QUANTUM-02-SGA PASQuanS2.1, 101113690, EU Horizon 2020 FETOPEN OPTOlogic, Grant No 899794, QU-ATTO, 101168628), EU Horizon Europe Program (This project has received funding from the European Union’s Horizon Europe research and innovation program under grant agreement No 101080086 NeQSTGrant Agreement 101080086 — NeQST); ICFO Internal“QuantumGaudi” project.