Los físicos observan Quantum Spin Liquid por primera vez

Primero teorizado en 1973 por el físico Philip W. Anderson, líquidos de espín cuántico son fases exóticas de la materia con orden topológico. Presentan un entrelazamiento cuántico de largo alcance que potencialmente se puede explotar para realizar una computación cuántica robusta. Pero el problema de este exótico estado de la materia ha sido su propia existencia: nadie lo había visto nunca, al menos, ese había sido el caso durante casi cinco décadas.

Modelo de dímero en matrices de átomos de Rydberg: (A) imagen de fluorescencia de 219 átomos dispuestos en los enlaces de una red de kagome; Los átomos de Rydberg están marcados con dímeros rojos en los enlaces de la red de kagome; (B) un estado consistente con el bloqueo de Rydberg en el llenado máximo puede entonces verse como una cubierta de dímero de la red de kagome, donde cada vértice es tocado por exactamente un dímero; (C) el estado líquido de espín cuántico corresponde a una superposición coherente de exponencialmente muchas cubiertas de dímeros. Crédito de la imagen: Semeghini et al., doi: 10.1126 / science.abi8794.

“Un líquido de espín cuántico no tiene nada que ver con líquidos cotidianos como el agua”, dijeron el profesor Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard y sus colegas.

“En cambio, se trata de imanes que nunca se congelan y de la forma en que giran los electrones”.

“En los imanes regulares, cuando la temperatura desciende por debajo de cierta temperatura, los electrones se estabilizan y forman una pieza sólida de materia con propiedades magnéticas. En el líquido de espín cuántico, los electrones no se estabilizan cuando se enfrían, no se forman en un sólido y cambian y fluctúan constantemente (como un líquido) en uno de los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos “.

El profesor Lukin y sus coautores se propusieron observar un líquido de espín cuántico utilizando el simulador cuántico programable.

El simulador es un tipo especial de computadora cuántica que permite a los investigadores crear formas programables como cuadrados, panales o celosías triangulares para diseñar diferentes interacciones y entrelazamientos entre átomos ultrafríos.

La idea de utilizar el simulador cuántico es poder reproducir la misma física microscópica que se encuentra en los sistemas de materia condensada, especialmente con la libertad que permite la programabilidad del sistema.

“Puedes separar los átomos tanto como quieras, puedes cambiar la frecuencia de la luz láser, realmente puedes cambiar los parámetros de la naturaleza de una manera que no podrías en el material donde estas cosas se estudiaron antes”, dijo el profesor Subir Sachdev de la Universidad de Harvard.

En los imanes convencionales, los giros de los electrones apuntan hacia arriba o hacia abajo siguiendo un patrón regular.

En el imán del refrigerador de todos los días, por ejemplo, todos los giros apuntan hacia la misma dirección. Esto sucede porque los giros suelen funcionar en un patrón de casilla de verificación y pueden emparejarse para que puedan apuntar en la misma dirección o alternando, manteniendo un cierto orden.

Los líquidos de espín cuántico no muestran nada de ese orden magnético. Esto sucede porque, esencialmente, se agrega un tercer giro, convirtiendo el patrón de la casilla de verificación en un patrón triangular.

Mientras que un par siempre puede estabilizarse en una dirección u otra, en un triángulo, el tercer espín siempre será el electrón impar.

Esto lo convierte en un imán frustrado donde los giros del electrón no pueden estabilizarse en una sola dirección.

“Básicamente, están en diferentes configuraciones al mismo tiempo con cierta probabilidad. Esta es la base de la superposición cuántica ”, dijo la Dra. Giulia Semeghini, investigadora postdoctoral en el Centro de Óptica Cuántica Harvard-Max Planck.

Los autores utilizaron el simulador para crear su propio patrón de celosía frustrado, colocando los átomos allí para interactuar y entrelazar.

Luego pudieron medir y analizar las cadenas que conectaban los átomos después de que toda la estructura se enredaba.

La presencia y el análisis de esas cadenas, que se denominan cadenas topológicas, significaron que estaban ocurriendo correlaciones cuánticas y que había surgido el estado líquido de espín cuántico de la materia.

“El ir y venir entre la teoría y el experimento es extremadamente estimulante”, dijo el Dr. Ruben Verresen, investigador postdoctoral de la Universidad de Harvard.

“Fue un momento hermoso cuando se tomó la instantánea de los átomos y la configuración del dímero anticipada nos miró a la cara. Es seguro decir que no esperábamos que nuestra propuesta se hiciera realidad en cuestión de meses “.

Después de confirmar la presencia de líquidos de espín cuántico, los científicos se centraron en la posible aplicación de este estado de la materia para crear qubits robustos.

Realizaron una prueba de prueba de concepto que mostró que algún día podría ser posible crear estos bits cuánticos colocando los líquidos de espín cuántico en una matriz geométrica especial utilizando el simulador.

Los investigadores planean usar el simulador cuántico programable para continuar investigando los líquidos de espín cuántico y cómo se pueden usar para crear qubits más robustos.

Los qubits, después de todo, son los bloques de construcción fundamentales sobre los que funcionan las computadoras cuánticas y la fuente de su poder de procesamiento masivo.

“Mostramos los primeros pasos sobre cómo crear este qubit topológico, pero aún necesitamos demostrar cómo se puede codificar y manipular realmente. Ahora hay mucho más por explorar ”, dijo el Dr. Semeghini.

Los equipos papel fue publicado en la revista Ciencias.

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G. Semeghini et al. 2021. Sondeo de líquidos de espín topológico en un simulador cuántico programable. Ciencias 374 (6572): 1242-1247; doi: 10.1126 / science.abi8794

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