Nuevo marco teórico para describir cómo ciertos sistemas cuánticos evitan el equilibrio

Cuando muchas partículas cuánticas evolucionan en el tiempo, típicamente terminan alcanzando un estado de equilibrio a través de un proceso llamado termalización. Algo similar ocurre en muchos sistemas clásicos. Por ejemplo, si colocas un cubito de hielo en un termo con agua, el hielo se derrite y el estado final (de equilibrio) es simplemente agua más fría que antes.

En la física clásica, los sistemas complejos finalmente alcanzan el equilibrio (si esperas lo suficiente, el hielo siempre se derrite, en casos como los del ejemplo). Sin embargo, ciertos sistemas cuánticos de muchos cuerpos desafían esta norma. Para ellos, la termalización no ocurre y el sistema permanece fuera del equilibrio. Este es el caso de una amplia clase de sistemas fuertemente desordenados, donde características como las interacciones entre partículas o las energías individuales exhiben cierto grado de aleatoriedad. Este comportamiento se debe a la localización de muchos cuerpos (MBL), un mecanismo que preserva las condiciones iniciales del sistema a lo largo del tiempo.

Las integrales locales del movimiento (LIOMs, por sus siglas en inglés) constituyen un marco teórico utilizado de manera generalizada para estudiar la MBL. No obstante, un reciente estudio, realizado por un equipo internacional encabezado por Adith Sai Aramthottil, de la Universidad Jaguelónica de Cracovia en Polonia, y en el que han colaborado  Piotr Sierant y Maciej Lewenstein, del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, muestra que las LIOMs son insuficientes para describir el comportamiento de una amplia clase de sistemas, en particular aquellos con tipos más complejos de desorden. Los autores del estudio  proponen un nuevo marco teórico, el grupo de renormalización en espacio real para estados excitados (RSRG-X, por sus siglas en inglés), que puede explicar la MBL en una mayor cantidad de sistemas cuánticos de muchos cuerpos.

El equipo sabía que las LIOMs pueden capturar el comportamiento de la MBL cuando el desorden del sistema afecta a propiedades individuales de las partículas (desorden localizado). Sin embargo, sospechaban que las LIOMs no podían describir sistemas donde la aleatoriedad influye en las interacciones entre partículas (desorden de enlace).

Para probar esta hipótesis, los investigadores aplicaron el RSRG-X a una cadena desordenada por enlaces de partículas con espín (es decir, partículas que se comportan como pequeños imanes). Los resultados mostraron que, efectivamente, el RSRG-X proporciona una descripción teórica de la MBL en estos sistemas, donde las LIOMs ni siquiera existen. Su marco teórico revela nuevas características de la MBL en sistemas cuánticos de muchos cuerpos, incluyendo unos niveles energéticos con separaciones anómalamente pequeñas, la aparición de estructuras de entrelazamiento no triviales y la presencia de cantidades observables que permiten la demostración experimental del fenómeno. La descripción obtenida resultó ser cualitativamente precisa y, de esta manera, los investigadores demostraron la validez del procedimiento.

En la física clásica, la diferencia de temperatura entre una masa de hielo y su entorno caliente desaparece con el paso del tiempo. En física cuántica, hay sistemas en los que no se produce este proceso genérico hacia un estado final de equilibrio. (Imagen: Amazings / NCYT)

“Hemos proporcionado un marco aplicable a una gama más amplia de sistemas y, gracias a ello, hemos mostrado que la física de la MBL es más rica de lo que se pensaba”, explica Piotr Sierant. Además, el enfoque novedoso tiene implicaciones que pueden ser probadas en experimentos, por ejemplo, con gases de átomos ultrafríos o qubits superconductores. Sierant añade: “Los átomos de Rydberg son solo una plataforma, entre otras muchas, donde los sistemas que tenemos en mente se podrían realizar. Eso es muy conveniente porque, como teóricos, nos encantaría ver nuestro marco implementado en un escenario del mundo real”.

El estudio se titula “Phenomenology of Many-Body Localization in Bond-Disordered Spin Chains”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Reviews Letters. (Fuente: ICFO)