Descubren que el gato de Schrödinger tiene una nueva piel

Investigadores alemanes han descubierto un nuevo tipo de transiciones de fase que complican el destino del gato de Schrödinger: posee más dinámicas cuánticas y propiedades que no tienen un análogo clásico. ¡Pobre gato!

Investigadores de la Technische Universität Dresden (TUD) y la Technische Universität München (TUM) han descubierto un tipo completamente nuevo de transiciones de fase.

Un nuevo experimento vuelve más alucinante a la mecánica cuántica

Han comprobado que el fenómeno del entrelazamiento cuántico puede involucrar a muchos átomos, algo que con anterioridad solo se había observado en unos pocos átomos. Eso significa, según los autores de esta investigación, que el famoso gato de Schrödinger tiene una nueva piel que hasta ahora permanecía desconocida.

En física, el gato de Schroedinger es una alegoría de dos de los efectos más impresionantes de la mecánica cuántica: el entrelazamiento y la superposición de estados.

El entrelazamiento cuántico es uno de los fenómenos más asombrosos de la física, en el que las partículas cuánticas entrelazadas existen en un estado de superposición compartida que permite que las propiedades normalmente mutuamente excluyentes (por ejemplo, blanco y negro) ocurran simultáneamente.

La superposición cuántica ocurre en la naturaleza cuando una partícula elemental posee simultáneamente dos o más estados, como pasa por ejemplo con los fotones, que pueden permanecer en dos lugares diferentes al mismo tiempo, algo inimaginable en el mundo físico ordinario. Un fenómeno que incluso trasciende el mundo de las partículas elementales.

Alegoría compleja

La alegoría del gato de Schrödinger fue ideada en 1935 por el físico que lleva su nombre, para explicar mediante una extrapolación imaginaria, el funcionamiento de un sistema cuántico.

En este ejemplo, un gato se encuentra dentro de una caja en la que hemos introducido por un lado alimento y por el otro veneno, y se enfrenta a dos opciones: tomar el alimento y vivir, o tomar el veneno y morir.

Al final, según esta alegoría, es el dueño del gato el que decide su suerte al abrir la caja: estará vivo o muerto según lo que el observador quiera encontrarse.

Lo importante para entender el mundo cuántico que intenta explicar este ejemplo es que, antes de esa observación, el gato está en una superposición de estados (vivo y muerto a la vez), y que ambos estados potenciales, a su vez, están entrelazados (cualquier variación en uno se refleja en el otro: si está vivo deja de estar muerto).

Como regla general, las leyes de la mecánica cuántica que explica el ejemplo del gato de Schrödinger solo se aplican a partículas microscópicas, aunque recientemente se ha comprobado que el entrelazamiento cuántico funciona también a escala de objetos masivos y no sólo a nivel de átomos, fotones y electrones.

Escala aún mayor

Lo que han conseguido los equipos de investigación de Múnich y Dresde es observar los efectos del entrelazamiento cuántico a una escala mucho mayor que la de las partículas más pequeñas, la de miles de átomos, una revelación que será importante para la investigación de fenómenos cuánticos en materiales, así como para nuevas aplicaciones, aseguran los protagonistas de este desarrollo.

Hasta ahora, se sabía que los materiales que muestran propiedades como, por ejemplo, el magnetismo, tienen los llamados dominios: islas en las que las propiedades de los materiales son homogéneas de uno o de otro tipo (blancas o negras, por ejemplo).

Analizando el fluoruro de litio y holmio (LiHoF 4), los físicos alemanes han descubierto una transición de fase completamente nueva, en la que los dominios exhiben características mecánico-cuánticas, lo que hace que sus propiedades se enreden (siendo blancas y negras al mismo tiempo).

Trabajando con el LiHoF 4, observaron que, a temperaturas muy bajas, este conocido compuesto actúa con un comportamiento ferromagnético en el que todos los momentos magnéticos apuntan espontáneamente en la misma dirección.

Transiciones cuánticas

Sin embargo, si se aplica un campo magnético a la dirección magnética preferida, los momentos magnéticos cambiarán de dirección, lo que se conoce como fluctuaciones. Cuanto mayor sea la intensidad del campo magnético, más intensas serán estas fluctuaciones hasta que, finalmente, el ferromagnetismo desaparece por completo en una transición de fase cuántica.

Esto conduce al entrelazamiento (cuántico) de los momentos magnéticos vecinos, algo que ya se sabe desde hace 25 años. Lo novedoso que aporta esta investigación es lo que sucede cuando se cambia la dirección del campo magnético, destacan los investigadores.

En ese momento, la transición de fase cuántica continúa ocurriendo, cuando hasta ahora se creía que incluso la inclinación más pequeña del campo magnético la suprimiría de inmediato.

También ha comprobado esta investigación que, bajo estas condiciones, no son los momentos magnéticos individuales, sino las extensas áreas magnéticas, los llamados dominios ferromagnéticos, los que experimentan estas transiciones de fase cuántica.

¡Pobre gato!

Eso significa, según los investigadores, que los dominios constituyen islas enteras de momentos magnéticos que apuntan en la misma dirección.

“Hemos descubierto un tipo completamente nuevo de transiciones de fase cuántica en la que el entrelazamiento tiene lugar en la escala de muchos miles de átomos, en lugar de solo en el microcosmos de unos pocos”, explican los investigadores en un comunicado.

"Si imaginamos los dominios magnéticos como un patrón en blanco y negro, la nueva transición de fase conduce a que las áreas blancas o negras se vuelvan infinitesimalmente pequeñas, es decir, crean un patrón cuántico, antes de disolverse por completo".

Es lo que, según esta investigación, le pasaría también al gato de Schrödinger, lo que añade una complejidad más a su destino imaginario: posee más dinámicas cuánticas y propiedades que no tienen un análogo clásico, señalan los autores en el artículo que publican en Nature. ¡Pobre gato!

Referencia

Emergence of mesoscale quantum phase transitions in a ferromagnet. Andreas Wendl et al. Nature, Volume 609, pages 65–70 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04995-5