Las interacciones cuánticas fuertes evitan que las cuasipartículas se descompongan. Imagen: K. Verresen / TUM
Según las leyes de la física, todos los procesos naturales aumentan la entropía, el desorden molecular de un sistema. La consecuencia de este proceso es la desintegración de la estructura: un cristal roto no puede recuperar su anterior estado.
Sin embargo, investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) y del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos, han descubierto ahora lo que puede ser la excepción de esta regla: las cuasipartículas no siguen siempre todas las leyes de la física ordinaria. Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics.
Bancos de partículas
Tal como explicamos en otro artículo, las cuasipartículas son excitaciones cuánticas formadas por partículas más pequeñas que, juntas, actúan como si fueran una sola de comportamiento predecible.
Por ejemplo, un banco de peces en el mar se comporta como una unidad mayor durante un tiempo, pero en realidad no forma una nueva realidad de pez. Sólo desarrolla en conjunto un comportamiento colectivo. En ese momento, forma lo que podríamos llamar un “cuasipez” enorme.
Las cuasipartículas pertenecen al campo de la física de la materia condensada, que estudia las características físicas de la materia, especialmente las fases “condensadas” que ocurren cuando un sólido o un líquido se comportan como un banco de peces.
Hay más de 20 cuasipartículas conocidas que permiten modelizar las interacciones colectivas que se dan entre las numerosas partículas que componen un material.
Cada cuasipartícula se puede modelizar matemáticamente como una sola partícula dotada de una masa, carga y energía determinadas. De esta forma es posible estudiar una amplia variedad de sistemas, incluyendo materiales (semiconductores, superconductores, magnéticos, grafeno) y fenómenos físicos.
Deteniendo la entropía
Los estados cuánticos de la materia, como los sólidos o los imanes, suelen mostrar excitaciones colectivas de sus componentes (por ejemplo, fonones, magnones y aniones) que actúan durante un tiempo como una sola entidad emergente, como una cuasipartícula.
“Hasta ahora, se suponía que las cuasipartículas de esos estados cuánticos decaían después de un cierto tiempo. Ahora sabemos que ocurre lo contrario: las interacciones fuertes pueden incluso detener la descomposición de las cuasipartículas por completo”, explica Frank Pollmann, profesor de física teórica del estado sólido en la Universidad Técnica de Munich (TUM), en un comunicado.
Siguiendo con el ejemplo del banco de peces, esta investigación ha descubierto es que esa entidad temporal que forman millones de peces actuando a la vez, el “cuasipez”, en determinadas condiciones no se descompone por completo, sino que periódicamente resurge de sus cenizas.
Según el investigador principal, Ruben Verresen, “si bien es cierto que las cuasipartículas se desintegran, sin embargo nuevas entidades de partículas idénticas emergen de los escombros".
“Si esta descomposición se produce muy rápidamente, se producirá una reacción inversa después de un cierto tiempo y los residuos volverán a converger. Este proceso puede repetirse infinitamente y emerge una oscilación sostenida entre la decadencia y el renacimiento", añade.
Sin embargo, investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM) y del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos, han descubierto ahora lo que puede ser la excepción de esta regla: las cuasipartículas no siguen siempre todas las leyes de la física ordinaria. Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics.
Bancos de partículas
Tal como explicamos en otro artículo, las cuasipartículas son excitaciones cuánticas formadas por partículas más pequeñas que, juntas, actúan como si fueran una sola de comportamiento predecible.
Por ejemplo, un banco de peces en el mar se comporta como una unidad mayor durante un tiempo, pero en realidad no forma una nueva realidad de pez. Sólo desarrolla en conjunto un comportamiento colectivo. En ese momento, forma lo que podríamos llamar un “cuasipez” enorme.
Las cuasipartículas pertenecen al campo de la física de la materia condensada, que estudia las características físicas de la materia, especialmente las fases “condensadas” que ocurren cuando un sólido o un líquido se comportan como un banco de peces.
Hay más de 20 cuasipartículas conocidas que permiten modelizar las interacciones colectivas que se dan entre las numerosas partículas que componen un material.
Cada cuasipartícula se puede modelizar matemáticamente como una sola partícula dotada de una masa, carga y energía determinadas. De esta forma es posible estudiar una amplia variedad de sistemas, incluyendo materiales (semiconductores, superconductores, magnéticos, grafeno) y fenómenos físicos.
Deteniendo la entropía
Los estados cuánticos de la materia, como los sólidos o los imanes, suelen mostrar excitaciones colectivas de sus componentes (por ejemplo, fonones, magnones y aniones) que actúan durante un tiempo como una sola entidad emergente, como una cuasipartícula.
“Hasta ahora, se suponía que las cuasipartículas de esos estados cuánticos decaían después de un cierto tiempo. Ahora sabemos que ocurre lo contrario: las interacciones fuertes pueden incluso detener la descomposición de las cuasipartículas por completo”, explica Frank Pollmann, profesor de física teórica del estado sólido en la Universidad Técnica de Munich (TUM), en un comunicado.
Siguiendo con el ejemplo del banco de peces, esta investigación ha descubierto es que esa entidad temporal que forman millones de peces actuando a la vez, el “cuasipez”, en determinadas condiciones no se descompone por completo, sino que periódicamente resurge de sus cenizas.
Según el investigador principal, Ruben Verresen, “si bien es cierto que las cuasipartículas se desintegran, sin embargo nuevas entidades de partículas idénticas emergen de los escombros".
“Si esta descomposición se produce muy rápidamente, se producirá una reacción inversa después de un cierto tiempo y los residuos volverán a converger. Este proceso puede repetirse infinitamente y emerge una oscilación sostenida entre la decadencia y el renacimiento", añade.
Dualidad decadencia-renacimiento
Según los investigadores, la oscilación entre decadencia y renacimiento se corresponde con la dualidad onda-partícula de los sistemas cuánticos, es decir, que el “cuasipez” se manifiesta como una partícula y luego pasa a la fase onda (se disuelve temporalmente, dejando que los miembros del banco se comporten como individuos) para emerger de nuevo más tarde como una cuasipartícula en la que todos los peces siguen un patrón colectivo de comportamiento.
Para los investigadores, esta dinámica de las cuasipartículas no transgrede la segunda ley de la termodinámica, ya que el desorden molecular (la entropía) se mantiene constante (no aumenta en el caso de las cuasipartículas) y por ello su decadencia se detiene (en realidad el vaso no llega a romperse, por lo tanto puede recuperar su estado original).
En este sentido, aseguran que las cuasipartículas son como inmortales, ajenas a la decadencia característica de todos los procesos físicos. Tienen la capacidad de impedir su completa desintegración.
Añaden que este descubrimiento explica fenómenos que hasta ahora eran desconcertantes, como la sorprendente estabilidad del compuesto magnético Ba3CoSB2O9 .Esta estabilidad se produce por la dualidad decadencia-renacimiento de las cuasipartículas magnéticas, los magnones, que lo componen. Es un ejemplo.
"Nuestro trabajo es puramente investigación básica", enfatiza Pollmann. Sin embargo, es perfectamente posible que algún día los resultados permitan incluso aplicaciones, por ejemplo, la construcción de memorias de datos duraderas para futuros ordenadores cuánticos, añade.
Según los investigadores, la oscilación entre decadencia y renacimiento se corresponde con la dualidad onda-partícula de los sistemas cuánticos, es decir, que el “cuasipez” se manifiesta como una partícula y luego pasa a la fase onda (se disuelve temporalmente, dejando que los miembros del banco se comporten como individuos) para emerger de nuevo más tarde como una cuasipartícula en la que todos los peces siguen un patrón colectivo de comportamiento.
Para los investigadores, esta dinámica de las cuasipartículas no transgrede la segunda ley de la termodinámica, ya que el desorden molecular (la entropía) se mantiene constante (no aumenta en el caso de las cuasipartículas) y por ello su decadencia se detiene (en realidad el vaso no llega a romperse, por lo tanto puede recuperar su estado original).
En este sentido, aseguran que las cuasipartículas son como inmortales, ajenas a la decadencia característica de todos los procesos físicos. Tienen la capacidad de impedir su completa desintegración.
Añaden que este descubrimiento explica fenómenos que hasta ahora eran desconcertantes, como la sorprendente estabilidad del compuesto magnético Ba3CoSB2O9 .Esta estabilidad se produce por la dualidad decadencia-renacimiento de las cuasipartículas magnéticas, los magnones, que lo componen. Es un ejemplo.
"Nuestro trabajo es puramente investigación básica", enfatiza Pollmann. Sin embargo, es perfectamente posible que algún día los resultados permitan incluso aplicaciones, por ejemplo, la construcción de memorias de datos duraderas para futuros ordenadores cuánticos, añade.
Referencia
Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions. Ruben Verresen, Roderich Moessner & Frank Pollmann. Nature Physics (2019).DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0535-3
Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions. Ruben Verresen, Roderich Moessner & Frank Pollmann. Nature Physics (2019).DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0535-3