La ruptura de simetría tiene un papel muy importante en muchos fenómenos de la naturaleza. En mecánica cuántica y clásica, las simetrías implican leyes de conservación y la ruptura de una simetría significa que algún parámetro que caracteriza el sistema y que inicialmente está conservado deja de estarlo. Daniel Dagnino y Nuria Barberán, de la Universidad de Barceolna (UB), han analizado la ruptura de simetría en el proceso de nucleación de vórtices (en un sistema formado por átomos neutros que interaccionan de forma repulsiva y a cortas distancias) para describir, por primera vez, el estado superfluido en la transición, es decir, una superposición de estado con y sin vórtices.
Aunque el concepto de simetría parece ser mejor conocido, los fenómenos emergentes por la ruptura de simetrías son comunes en el mundo de la física. Por ejemplo, la expansión del universo después del Big Bang (la gran explosión que daría origen al universo) fue un ejemplo de este proceso. En la actualidad, los mecanismos de ruptura de simetrías son una de las áreas de estudio internacional más activas de la física.
"La ruptura de simetría puede observarse en cualquier sistema donde el estado de mínima energía esté degenerado", comenta Daniel Dagnino, estudiante de doctorado y primer autor del estudio que esta semana publica la revista Nature Physics.
"Los fenómenos que los provocan pueden ser diversos. Cuando se dan en sistemas degenerados, son rupturas espontáneas de simetría. Es el caso de los ferromagnetos, que son sistemas invariantes bajo rotaciones de todos los spins. Por debajo de la temperatura de Curie, este sistema rompe la simetría, escogiendo una dirección en que se orientan el spins, y es esta rotura la que da lugar a la magnetización. En otros sistemas, sin embargo, la ruptura es el resultado de pequeñas perturbaciones del sistema: es la ruptura de simetría provocada", explica Dagnino.
Los vórtices o cambios de estado
En este artículo, el equipo científico ha estudiado este proceso en la nucleación de vórtices (o momento de inicio de un cambio de estado en una región pequeña pero estable). La ruptura de la simetría en la nucleación se ha estudiado en un conjunto bidimensional de átomos neutros, sin spin, que interaccionan de forma repulsiva y a cortas distancias.
Este conjunto de átomos se encuentra atrapado mediante la aplicación de un campo magnético que forma un pozo parabólico ligeramente deformado y que permite hacer girar el sistema en torno a un eje. El giro permite añadir un momento angular al conjunto de átomos. Esto es lo que precisamente provoca la formación del primer vórtice, haciendo que el sistema evolucione desde un estado en reposo a un estado de un vórtice, pasando por un estado precursor de la nucleación en el que se rompe la simetría de paridad.
Desde el descubrimiento de la superfluidez, el estudio de la nucleación de vórtices ha llamado la atención de la comunidad científica internacional. "En la investigación, nuestro objetivo era estudiar las rupturas de simetría y una de ellas se da durante el proceso de nucleación", cuenta Dagnino.
Para este investigador, "el modelo con el que trabajamos proporciona un instrumento teórico para medir las características de nuestro sistema. Además, los resultados son aplicables a un amplio abanico de sistemas cuánticos débilmente interactuantes. El hecho que exista una región donde el sistema se encuentra altamente correlacionado hace que la teoría de campo medio, que es la forma habitual de estudiar los sistemas condensados, no sea aplicable. La teoría de campo medio predice inestabilidades dinámicas que no reflejan la realidad del fenómeno".
Descubrir métodos más potentes para estudiar sistemas muy correlacionados y delimitar con más precisión la aplicación de las ecuaciones de campo medio a sistemas cuánticos son algunos de los objetivos de futuras líneas de investigación en este ámbito del conocimiento. "Los estados altamente correlacionados son también de gran interés para estudiar la información cuántica. De momento, se conoce bien la forma de manipular sistemas "clásicos", pero no "cuánticos" y por ello es interesante seguir avanzando en esta dirección", apunta Dagnino.
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Referencia bibliográfica:
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