Científicos europeos, con participación del Instituto de Ciencias Fotónicas en Barcelona, han presentado una nueva ley de cuantificación para determinar la velocidad a la que se calienta un sistema cuántico. El calentamiento de este tipo de sistemas se puede utilizar como una sonda universal para estudiar estados exóticos de la materia.
En Física existen ciertos parámetros o cantidades que se describen como múltiplos enteros de elementos fundamentales e indivisibles, una cuantíficación que ha aportado multitud de avances en esta ciencia. Por ejemplo, la cuantificación de la luz a través de los fotones llevó a la descripción contemporánea (por medio de la mecánica cuántica) del mundo microscópico.
Ahora un equipo internacional de investigadores, dirigido por el profesor Nathan Goldman desde la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica) y con participación del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, Barcelona), ha logrado demostrar una nueva forma de ley de cuantificación, que implica un observable físico distintivo: la velocidad de calentamiento de un sistema cuántico debido a vibraciones externas.
Para comprender este concepto se puede pensar primero en una analogía más simple: Cuando se coloca un cubo de hielo en un microondas, al calentarlo este excita las moléculas de agua, llevando a una fusión progresiva del hielo en agua líquida; durante este proceso de calentamiento, el número de moléculas que forman el hielo disminuye con el tiempo, un proceso que puede cuantificarse por un ritmo o tasa de calentamiento.
En el estudio, los autores demuestran cómo, en determinadas circunstancias, estas tasas de calentamiento deben satisfacer una ley de cuantificación "elegante y precisa". En concreto, explican que este fenómeno se produce cuando un sistema físico, el cual inicialmente forma un estado exótico de materia (una fase topológica), se calienta de manera controlada. Tras el calentamiento, las partículas son expulsadas de la fase topológica (análogo a la fusión del hielo) y se muestra que el ritmo de calentamiento correspondiente satisface esa ley de cuantificación.
Un aspecto crucial a tener en cuenta respecto aesta nueva ley de cuantificación es que está dictada por la naturaleza topológica de la fase inicial del sistema, en analogía directa con la cuantificación de la conductividad en sólidos. Para entender esta analogía, recordamos que la conductividad, que determina la eficiencia con la que se generan las corrientes eléctricas en un material, puede ser cuantizada en términos de un "Conductividad Cuántica", claro signo del efecto de Hall cuántico, galardonado con dos premios Nobel, en 1985 y en 1998.
Conexión con un concepto matemático: la topología
Sorprendentemente, se demostró que la cuantificación de conductividad está íntimamente conectada a un concepto matemático fundamental: la topología, que tiene como objetivo clasificar los objetos geométricos de acuerdo a sus características más elementales, por ejemplo, su número de agujeros o su índice de bobinado.
Esta elegante relación entre la cuantificación física de la conductividad y el concepto abstracto de topología ha dado pie a la exploración de una amplia familia de estados exóticos de la materia, denominadas fases topológicas, descubrimiento reconocido recientemente con el Premio Nobel de Física del 2016. En este sentido, el descubrimiento anunciado por el equipo de científicos ofrece una perspectiva novedosa sobre los intrigantes vínculos entre las leyes de cuantificación en física y topología.
Además de que esta ley de cuantización puede determinar los ritmos de calentamiento, este descubrimiento tiene un corolario importante: el calentamiento de un sistema cuántico puede usarse como una sonda universal para estados exóticos de la materia. Los autores proponen una plataforma física particularmente adecuada para su realización experimental: un gas ultra frío de átomos atrapados en una red óptica (un paisaje periódico creado por la luz).
Esta configuración constituye una caja de herramientas ideal para la ingeniería cuántica de la materia topológica, pero también, para implementar nuevos tipos de mediciones. En la práctica, el experimento propuesto consistiría en preparar una fase topológica, cargando un gas ultrafrío en una red (lattice) óptica y, seguidamente, agitar esta red de una manera circular buscando obtener los ritmos de calentamiento midiendo el número de átomos que han permanecido en la fase topológica después de una cierta duración de agitación.
Este estudio ha sido resultado de una colaboración entre el grupo del profesor Goldman en Bruselas y el de Peter Zoller (del instituto IQOQI y la Universidad de Innsbruck, en Austria), quienes ocuparon la Cátedra Internacional de Física Jacques Solvay en 2015, junto a investigadores del ICFO, el Néel Institute (CNRS/université Grenoble-Alpes/Grenoble INP) y la Universidad de California en Berkeley (EE UU).
Refererencia bibliográfica:
Duc Thanh Tran, Alexandre Dauphin, Adolfo G. Grushin, Peter Zoller, Nathan Goldman. "Probing topology by “heating”: Quantized circular dichroism in ultracold atom". Science Advances 3 (8): e1701207, 18 de agosto de 2017. Doi: 10.1126/sciadv.1701207
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