El entrelazamiento cuántico detecta la transición que transforma a los superconductores en aislantes

Científicos brasileños aplicaron simulación computacional para investigar este fenómeno. Y el estudio, publicado en Scientific Reports, podrá tener aplicaciones tecnológicas en el futuro

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Cuando ciertos parámetros como la temperatura o la presión varían, ocurren transiciones de fases clásicas. Los ejemplos más conocidos de esto son las transiciones de fase del agua, que pasa del estado sólido al estado líquido y del líquido al gaseoso con la elevación de la temperatura. En tanto, las transiciones de fase cuánticas ocurren sin variaciones de esos parámetros. Al contrario, las más notables suceden a temperaturas estables extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto, en niveles del orden de los nanokelvin o hasta de los picokelvin.

En el marco de un estudio realizado en la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en su campus de la localidad de Araraquara, en Brasil, se investigó una transición específica en la cual el material cambia radicalmente de comportamiento con relación a la conductividad eléctrica, al pasar de ser superfluido o superconductor a ser aislante.

Y un artículo al respecto, firmado por Guilherme Arantes Canella y su directora, Vivian Vanessa França, salió publicado en Scientific Reports con el siguiente título: “Superfluid-Insulator Transition unambiguously detected by entanglement in one-dimensional disordered superfluids”.

El estudio intitulado “La teoría del funcional de la densidad y sus aplicaciones en sólidos y átomos fríos”, a cargo de França, contó el apoyo de la FAPESP a través del Programa de Apoyo a Jóvenes Investigadores.

“La transición tuvo lugar mediante el desorden, es decir, mediante la inclusión de impurezas en el material o de modificaciones aleatorias en el espaciado existente entre los átomos”, declaró França a Agência FAPESP.

El aumento del desorden y el monitoreo de las respuestas del material se concretaron mediante simulación computacional. Cabe recordar que los estudios en esta área transcurren tanto en el ámbito de la ciencia básica, para la comprensión de los procesos físicos implicados, como también –e incluso más− en el ámbito de la ciencia aplicada, para sacar partido práctico de esas transiciones con la mira puesta en la creación de nuevas tecnologías.

“Proyectamos cadenas unidimensionales, a las cuales les fuimos aportando desorden. El primer paso consistió en sortear un gran reto computacional. Sucede que no se puede agregar desorden en un sitio específico. En caso de eso ocurra, no sería aleatorio. Es necesario simular muchas configuraciones posibles y establecer un promedio, lo que requiere de una gran cantidad de cálculos bastante complejos. El método que hizo posible superar este desafío computacional fue la Teoría del Funcional de la Densidad”, afirmó la investigadora.

La Teoría del Funcional de la Densidad (DFT, del inglés Density Functional Theory), es un modelo simplificado derivado de la mecánica cuántica que se utiliza en física de sólidos y en química teórica para dilucidar sistemas de muchos cuerpos. 

“Aun mediante el uso de la DFT, fueron necesarios alrededor de 70 días de procesamiento computacional para generar los puntos que presentamos en el artículo. Si se realizasen cálculos exactos, que son posibles, pero que son mucho más lentos y costosos, necesitaríamos 115 años”, comentó França.

La investigadora informó que ella y Arantes Canella, su dirigido doctoral, trabajaron con un material genérico, pero sujeto a algunas consideraciones. “Simulamos sistemas prácticamente unidimensionales como los nanofios, constituidos por fermiones, y exploramos todos los posibles parámetros a los efectos de investigar la transición de fase superfluido-aislante”, dijo.

El Modelo Estándar

Cabe acá efectuar un pequeño paréntesis. En el llamado Modelo Estándar, todas las partículas son fermiones o bosones. Los fermiones son partículas con espín semientero, que obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. Se trata de los protones, los electrones y los propios átomos, por ejemplo. Los bosones son partículas con espín entero, que obedecen a la estadística de Bose-Einstein. Son los fotones, por ejemplo. En las extensiones del Modelo Estándar que incluyen a la supersimetría, por cada fermión se agrega un bosón asociado y viceversa.

En el estudio en cuestión, la interacción entre los fermiones aparece descrita mediante el modelo de Hubbard unidimensional. “Lo que detectamos fue que la transición puede obtenerse a través de la variación de tres parámetros: aumentando la intensidad de las impurezas, aumentando la concentración de las impurezas o disminuyendo la densidad de partículas”, afirmó la investigadora.

La ubicación habitual

Una pregunta importante que en este estudio se apuntó a responder fue la concerniente a si la transición de fase cuántica afectaba al entrelazamiento de las partículas. El entrelazamiento es la característica más exótica de la mecánica cuántica: aquella que no posee ningún parangón clásico. Los estados entrelazados los son de tal modo que cualquier intervención realizada en uno de ellos afecta instantáneamente al otro, aun cuando no exista contigüidad espacial entre ambos.

La preservación del entrelazamiento durante el mayor lapso de tiempo posible constituye una cuestión clave para el desarrollo de la computación cuántica. “Nuestro estudio demostró que los tres casos [la intensidad del desorden, la concentración de impurezas o la densidad de partículas] afectan al entrelazamiento”, comentó França.

“Verificamos también que la transición puede resultar en dos tipos de aislantes. Esto es algo que, hasta donde sabemos, no había sido registrado aún en la literatura”, prosiguió.

“Una de las características de los aislantes es el hecho de que las partículas están bien localizadas en la muestra, en contraste con no localización del superconductor. Verificamos que existe lo que denominamos ‘la localización habitual’, en la cual las partículas se ubican; empero, a causa de la topología de la muestra, aún mantienen alguna no localización. Y esto hace que el entrelazamiento pase a ser constante, tal como debería serlo en el caso de un aislante, pero asume un valor finito, distinto de cero. Y existe también lo que denominamos ‘la localización completa’. En esta, las partículas quedan completamente localizadas y llegan al entrelazamiento nulo”, explicó.

Muchas controversias registradas en la literatura eran producto del hecho de que la existencia de ambos tipos de aislantes no había sido contemplada hasta ahora. Los autores discurrían sobre cosas distintas, y esto generó resultados contradictorios. Ha sido una importante contribución del estudio el hecho de poner esta dualidad en evidencia.

“La localización habitual ocurre sin necesidad de una intensidad mínima de desorden, está asociada a una transición menos abrupta y puede lograrse mediante el empleo de cualquiera de los tres parámetros. En tanto, la localización completa requiere de una intensidad mínima y solo puede alcanzarse con los parámetros de concentración y densidad”, concluyó França.

Puede leerse el artículo intitulado Superfluid-Insulator Transition unambiguously detected by entanglement in one-dimensional disordered superfluids en el siguiente vínculo: www.nature.com/articles/s41598-019-51986-0. 

Para saber más sobre el grupo de investigación o sobre oportunidades de maestría y doctorado en el área, ingrese al siguiente enlace: www.iq.unesp.br/#!/departamentos/fisico-quimica/docentes/vivian-v-franca.