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» » » Un simulador cuántico de materiales magnéticos

Referencia: Eurek.Alert.org .
por Tilman Esslinger, 23 mayo de 2013

Los físicos saben perfectamente por qué un imán se pega a ciertas superficies metálicas. Pero hay formas más exóticas de magnetismo cuyas propiedades siguen sin estar claras, a pesar de décadas de intensa investigación. Un avance importante para llenar estas lagunas proviene ahora de Tilman Esslinger y su grupo, en la facultad de Física.

El equipo ha desarrollado un nuevo tipo de dispositivo que utiliza los  rayos láser y los átomos para emular los materiales magnéticos. Su enfoque promete ideas fundamentales más allá de lo que puede obtenerse con los métodos teóricos y computacionales actuales. Por otra parte, la obra podría guiar a los investigadores en la búsqueda de nuevos materiales con propiedades interesantes para tecnologías y aplicaciones futuras.

Concierto de pequeños imanes

Los materiales magnéticos deben sus propiedades a la intrincada interacción entre una miríada de pequeños imanes. Estos imanes elementales vienen típicamente con la forma de los electrones individuales, cada uno de los cuales es débilmente magnético. El magnetismo observable surge cuando estos bloques de construcción magnéticos están dispuestos en patrones específicos, que se conservan por las interacciones de la mecánica cuántica. Un imán típico de frigorífico, por ejemplo, se compone de varias secciones ferromagnéticas; cada segmento del total de imanes elementales están alineados en paralelo, dando lugar al conocido comportamiento magnético.

En otros materiales magnéticos, la situación es mucho más sutil, y los imanes elementales se organizan en patrones más complejos. Los ejemplos incluyen los llamados líquidos de espín cuántico, donde los imanes elementales interactúan de manera que nunca pueden llegar a un estado ordenado, tal como se encuentra en un material ferromagnético. Los físicos y científicos de materiales están muy interesados ​​en estos imanes inusuales, ya que son problemas señalados en muchos cuerpos de la física cuántica, pero también debido a que estos materiales poseen propiedades que pueden ser la base de los dispositivos robustos de almacenamiento de datos magnéticos compactos o de novedosas formas de procesadores de información.

Simulación de sistemas cuánticos con sistemas cuánticos

Al contrario que en el caso de los imanes del refrigerador, la predicción de los comportamientos de los líquidos de espín cuántico y otros estados magnéticos exóticos es un problema notoriamente difícil. Las interacciones mutuas entre cientos de imanes elementales deben ser tomados en cuenta, y esto plantea un reto importante en los cálculos. La complejidad de dichos cálculos explica el por qué de muchos materiales magnéticos, e incluso para los sistemas de modelo idealizado, se echa en falta una comprensión más completa, esto es algo que impide el progreso en el uso y posterior desarrollo de estos materiales.

Igual que los métodos convencionales que implican papel y lápiz o computadoras, a menudo fracasan debido a estos sistemas tan complicados, Esslinger y sus colaboradores siguen un enfoque muy diferente para comprender los materiales magnéticos. Crean materiales artificiales que reproducen fielmente el material. Es decir, en lugar de estudiar el material real, los científicos realizan mediciones sobre su análogo artificial, dado que es más fácil de manejar y donde los parámetros importantes (la fuerza de interacción entre los imanes elementales, por ejemplo) se pueden cambiar con más facilidad.

Los físicos construyen sus materiales artificiales creando átomos que actúan como electrones y los cargan en un "cristal", creado ex profeso para interferir con los rayos láser. Tanto los rayos láser como los átomos atrapados pueden ser controlados con una precisión exquisita. "De esta manera podemos simular el comportamiento mecánico-cuántico de diferentes materiales magnéticos", explica Esslinger, "uno de nuestros próximos objetivos es abordar estas cuestiones sin resolver en el contexto de los líquidos de espín."

Del modelo a la tecnología

La exploración de las propiedades de un sistema cuántico con otro se pueden controlar mejor por la conocida ‘simulación cuántica'. En los últimos años, ha habido una intensa investigación en el desarrollo de un simulador cuántico para materiales magnéticos, esta aplicación específica es considerada uno de los principales objetivos en este campo. Esslinger y su equipo han logrado ahora, por primera vez, construir un dispositivo que reproduce directamente el comportamiento de un gran número de electrones en un material magnético. "La clave de nuestro éxito ha sido un método que nos permite alcanzar las extremadamente bajas temperaturas requeridas para explorar el magnetismo cuántico", explica Daniel Greif, doctorando en el grupo de Esslinger y primer autor del estudio. Con su método, fueron capaces de crear un sistema magnético que contenía 5.000 átomos. Trabajando en equipo con el grupo de Matías Troyer, profesor del Instituto de Física Teórica, están investigando si el comportamiento de este estado se puede reproducir en un ordenador convencional.

La flexibilidad del enfoque de simulación cuántica, abre una vía de estudio con una amplia gama de posibles escenarios de cómo interactúan los electrones unos con otros. Los resultados de estas simulaciones se pueden comparar con el comportamiento de los materiales magnéticos naturales, a fin de profundizar en los mecanismos que definen sus propiedades. Pero también existe la posibilidad de descubrir comportamientos magnéticos que no se hayan visto aún en los materiales naturales. Esto, a su vez, podría estimular nuevas aplicaciones, dice Esslinger, "las tecnologías futuras, a menudo son impulsadas ​​por el desarrollo de nuevos materiales, como los superconductores de alta temperatura, el grafeno o nuevos materiales magnéticos."


- Fuente: ETH Zurich.
- Publicación: Greif D, Uehlinger T, Jotzu G, Tarruell L, Esslinger T: Short-range quantum magnetism of ultracold fermions in an optical lattice. Science, 2013, Advance online publication, doi: 10.1126/science.1236362
- Imagen: Líneas de fuerza magnéticas de un imán de barra, producidas por limaduras de hierro sobre papel. Wikipedia.
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