Físicos de Caltech miden por fin un escalón de energía cuántica previsto hace 40 años
Redactado con inteligencia artificial.
Investigadores de Caltech han logrado observar experimentalmente patrones de energía en sistemas cuánticos, confirmando predicciones realizadas hace 40 años. Utilizando un simulador cuántico, recrearon puntos críticos y midieron niveles de energía que se alinean con teorías existentes, lo que abre nuevas posibilidades en la investigación de sistemas cuánticos complejos.
Introducción a la universalidad en la física
Cuando los materiales experimentan cambios significativos, como el agua al hervir o un imán perdiendo su magnetismo, diferentes sistemas pueden comportarse según las mismas reglas matemáticas. Este fenómeno, conocido como universalidad, implica que los detalles microscópicos se desvanecen y solo unas pocas características esenciales permanecen, según explica Jason Alicea, profesor de Física Teórica en Caltech.
Simuladores cuánticos y teorías conformales
Un estudio publicado en la revista Nature presenta los primeros experimentos de este tipo sobre dos teorías de campo conformal utilizando simuladores cuánticos. Estos sistemas, más simples que los ordenadores cuánticos de propósito general, están diseñados para reproducir comportamientos cuánticos específicos. La colaboración incluyó a grupos de Caltech y universidades como la Université Paris-Saclay y la Universidad Técnica de Múnich.
Los investigadores realizaron mediciones directas de niveles de energía en materia cuántica sintética, específicamente en las teorías de Ising y tricrítica de Ising. Estas teorías describen comportamientos universales que se manifiestan cuando un sistema cuántico alcanza un punto crítico entre dos estados, uno más ordenado que el otro.
Medición de la escalera de energía cuántica
A diferencia de las transiciones de fase ordinarias, el cambio observado en este estudio no es provocado por la temperatura, sino por efectos cuánticos a temperaturas cercanas al cero absoluto. Mediante láseres, los investigadores excitaban el sistema en una secuencia de estados de energía específicos, comparando estos niveles con los peldaños de una escalera.
Utilizando una técnica llamada espectroscopía de modulación de muchos cuerpos, los investigadores perturbaban suavemente la cadena atómica y medían la respuesta. A través de múltiples frecuencias, pudieron identificar diferentes niveles de energía y comprobar que se alineaban con las predicciones de la teoría de Ising.
Avances futuros en simulaciones cuánticas
Los investigadores planean ampliar sus experimentos a sistemas cuánticos más grandes y complejos, buscando estudiar redes de átomos en lugar de líneas simples. Esta expansión podría permitir la exploración de sistemas cuánticos cuyo comportamiento actual no se puede calcular con precisión, abordando problemas que son demasiado difíciles para los ordenadores clásicos. El estudio representa un avance significativo en la comprensión y aplicación de la física cuántica, confirmando teorías que existían desde hace décadas.