Interacciones entre partículas cuánticas: nuevas pistas prometedoras sobre su respuesta colectiva ante fuerzas débiles
El movimiento colectivo es omnipresente en la naturaleza a todas las escalas, desde las bandadas de estorninos hasta los bancos de peces, pasando por las colonias de bacterias. Estos grupos de animales se muestran como una única entidad gobernada por una mente colectiva. Si llevamos esta analogía al plano de la física, la interrelación entre los mundos microscópico y macroscópico se investiga intensamente en la mecánica estadística: interacciones sencillas entre componentes microscópicos pueden explicar propiedades mensurables de sistemas macroscópicos. Al pasar a la nanoescala, el extraño mundo de la mecánica cuántica ocupa un lugar destacado. Tomemos por ejemplo la fraccionalización: las excitaciones colectivas de un sistema no pueden construirse como combinaciones de sus constituyentes elementales. Si bien se han desarrollado varias técnicas para comprender fenómenos similares en los sistemas en equilibrio, su estudio es mucho más difícil en sistemas fuera de equilibrio. En el proyecto ThermOutOfEq, financiado con fondos europeos, se idearon configuraciones de ingeniería para aumentar la comprensión teórica de los fenómenos colectivos a nanoescala. También se desarrollaron teorías discursivas para estudiar cómo se comportan los sistemas caóticos.
La flecha del tiempo apunta hacia adelante
Los investigadores describieron hallazgos que demostraban la naturaleza reversible e irreversible de la dinámica cuántica bajo impulsos débiles. El uso de estados de productos matriciales contribuyó al análisis cuántico (modelo de la cadena de espines de Heisenberg). Este conocido modelo describe las interacciones de los espines magnéticos en un conjunto unidimensional y sus propiedades pueden computarse exactamente en equilibrio. Aunque los componentes microscópicos son espines individuales, las excitaciones colectivas corresponden a ondas de espín. Estas últimas se comportan esencialmente como partículas: cuando dos ondas de espín que se desplazan en direcciones opuestas se encuentran, pueden formar un «estado unido», una «partícula» más grande. Los pares de estados unidos también pueden interactuar entre sí para generar un espectro complejo con «partículas» de diferentes tamaños. «Para entender mejor la dinámica de las ondas de espín y sus estados de unión fuera de equilibrio, propusimos una configuración en la que un campo magnético aceleraba las partículas. Observamos que algunos estados de unión no son estables cuando se mueven demasiado rápido. Hay una velocidad crítica a la que se dividen en partículas menores», explica Andrea De Luca, coordinador del proyecto. Además, los investigadores observaron que solo hay un modo de formar un estado de unión una vez que se fusionan dos o más ondas de espín: la energía del estado de unión se fija por completo porque se conserva la energía. Por el contrario, si se rompe un estado de unión, hay muchas formas de distribuir su energía entre las partículas resultantes. «Este tipo de “falta de información” se halla en el origen de la generación de entropía y la irreversibilidad. Vimos que, antes de que las ondas de espín alcancen una velocidad crítica, el sistema es completamente reversible: si invertimos el campo magnético, las ondas de espín regresan a su estado inicial. Sin embargo, cuando superan la velocidad crítica, no hay memoria de los estados de unión rotos», añade De Luca.
Matrices aleatorias y caos cuántico
Comprender cómo se manifiesta el caos en la naturaleza suave y ondulada de los fenómenos en la escala cuántica es complicado. «En el mundo clásico, una pequeña perturbación en el movimiento de la partícula (bola) en un billar puede causar un gran cambio en su trayectoria, pero, en el plano cuántico, es imposible definir una trayectoria para los sistemas cuánticos. Lo único que sabemos es que, estadísticamente, los sistemas cuánticos caóticos se comportan como matrices aleatorias», explica De Luca. Los investigadores confirmaron esta antigua conjetura mediante un circuito aleatorio de Floquet. Así lograron proporcionar un ejemplo exactamente solucionable de un sistema cuántico y caótico compuesto por un gran número de grados de libertad y mostraron cómo aparecen juntos el caos y la conducta de las matrices aleatorias.
Palabras clave
ThermOutOfEq, ondas de espín, estado de unión, irreversible, excitaciones colectivas, fuera de equilibrio, caos cuántico, modelo de cadena de espines de Heisenberg, Floquet
