Del desorden al orden: Aves en bandadas y partículas "giratorias

Los físicos llevan mucho tiempo estudiando cómo la energía y el movimiento surgen en los materiales cuando los componentes interactúan de nuevas formas. Ahora, sus investigaciones exploran una frontera aún más extraña: cómo la energía y el orden pueden surgir espontáneamente a escala cuántica a partir de interacciones no equilibradas. En un nuevo estudio, unos investigadores japoneses descubren un fenómeno que denominan "materia activa cuántica" y descubren que presenta una especie de comportamiento de rebaño impulsado exclusivamente por la mecánica cuántica y la dinámica no hermitiana. Sus resultados, publicados en Physical Review Research, revelan cómo puede surgir una versión cuántica de la floculación sin interacciones de alineación explícitas, ampliando los límites de nuestra comprensión del comportamiento emergente a las escalas más pequeñas.

Al igual que su homóloga clásica, conocida como "materia activa", la materia activa cuántica consta de muchas partes que interactúan entre sí y que consumen y disipan energía individualmente. Pero, a diferencia de los sistemas clásicos, la materia activa cuántica se comporta según las extrañas reglas de la mecánica cuántica y no de la mecánica clásica newtoniana. "En la materia activa clásica, las partículas se autopropulsan como pájaros que se reúnen en bandadas", explica Kazuaki Takasan, investigador principal de la Universidad de Tokio. "En nuestro sistema cuántico, las 'partículas' son en realidad bits cuánticos que pueden ocupar varios estados simultáneamente. Y su movimiento no se rige por trayectorias clásicas, sino por la compleja dinámica de las funciones de onda cuánticas".

Investigadores anteriores habían introducido teóricamente el concepto de materia activa cuántica y demostrado cómo fenómenos clásicos como la separación de fases inducida por la motilidad podían manifestarse a escala cuántica. Pero Takasan y sus colaboradores Kyosuke Adachi y Kyogo Kawaguchi querían observar directamente comportamientos emergentes impulsados puramente por una dinámica cuántica de no equilibrio, sin analogías con un sistema clásico. "Queríamos explorar nuevos estados extraños de la materia que no tuvieran contrapartida clásica", afirma Takasan.

El equipo desarrolló un modelo teórico de "espines cuánticos" unidimensionales (bits cuánticos que pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo) que se mueven en línea e interactúan entre sí. Introdujeron dos ingredientes clave que no están presentes en los sistemas clásicos de materia activa: la tunelización cuántica entre estados de espín y el salto asimétrico, dependiente del espín, entre sitios impulsado por la disipación. "La disipación suele verse como algo que destruye los efectos cuánticos", señala Adachi. "Pero aquí la utilizamos de forma constructiva para inducir nuevos comportamientos emergentes".

Simulando en un ordenador la dinámica cuántica de esta "cadena cuántica de espines activos", los investigadores observaron una transición espontánea a una nueva y extraña fase de la materia. Incluso sin ninguna interacción explícita de alineación entre espines, el sistema desarrolló espontáneamente un orden ferromagnético de largo alcance: todos los espines apuntaban en la misma dirección en toda la cadena. "Nos sorprendió ver cómo la cadena se 'agrupaba' simplemente por la interacción de los túneles cuánticos, las interacciones y la disipación", explica Kawaguchi.

Para entender el mecanismo, el equipo demostró que la disipación siempre aumenta la energía de los estados cuánticos en los que los espines apuntan al azar, mientras que deja inalterado el estado alineado ferromagnéticamente. También resolvieron el caso simplificado de sólo dos espines interactuando y descubrieron que la disipación induce a los espines a unirse fuertemente en una especie de estado cuántico ligado. "En la fase paramagnética, en la que los espines apuntan al azar, la disipación favorece la configuración del estado ligado, impulsando el sistema hacia el orden ferromagnético", explica Takasan.

Los investigadores desarrollaron una sencilla teoría de campo medio que tiene en cuenta la ventaja energética del estado ligado de dos espines. Esta teoría captó cualitativamente la misma transición de fase ferromagnética observada en las simulaciones completas. "Nuestra teoría de campo medio muestra que la aparición del orden de largo alcance se debe, en última instancia, a los estados ligados de corto alcance inducidos localmente por la disipación", afirma Adachi. Su trabajo aporta algunas de las primeras ideas sobre cómo pueden surgir espontáneamente fluctuaciones, correlaciones y comportamientos colectivos a partir de la dinámica cuántica de no equilibrio.

El fenómeno de "rebaño cuántico" descubierto aquí va más allá de los límites de las transiciones de fase cuánticas convencionales porque se debe a la compleja naturaleza no hermitiana de la dinámica del sistema. Como tal, puede conformar nuevos tipos de comportamiento crítico no descritos por los puntos críticos cuánticos ordinarios. El equipo espera ahora simular sistemas más grandes utilizando técnicas de redes tensoriales para explorar si la transición sigue siendo continua en el límite termodinámico y cómo pueden diferir los exponentes críticos de los modelos estándar.

"Al principio fue sorprendente descubrir que el ordenamiento puede aparecer sin interacciones elaboradas entre los agentes del modelo cuántico. Era diferente de lo que se esperaba basándose en modelos biofísicos"

Kazuaki Takasan

Los investigadores también señalan que su trabajo apunta hacia posibles realizaciones en simuladores cuánticos programables que utilicen gases atómicos fríos. Los gases cuánticos de dos componentes y los saltos dependientes del espín se han conseguido experimentalmente. "Nuestra teoría muestra cómo la flotación cuántica podría, en principio, ser observable utilizando la disipación diseñada en un potencial de red óptica", afirma Takasan. En términos más generales, sus resultados demuestran que un control preciso de las fluctuaciones de desequilibrio a escala cuántica podría permitir el autoensamblaje dirigido de estructuras complejas, lo que ofrecería una vía para crear nuevos materiales cuánticos activos con funciones emergentes.

Con la simulación cuántica y la inteligencia artificial acelerando los descubrimientos en lo ultrapequeño, los científicos siguen adentrándose en territorios inexplorados en los que se cruzan fenómenos cuánticos, lejos del equilibrio y colectivos. Los trabajos de Takasan, Adachi y Kawaguchi muestran cómo puede autoorganizarse un extraño orden macroscópico incluso en sistemas cuánticos idealizados mediante la interacción de fluctuaciones cuánticas y procesos fuera del equilibrio. Su descubrimiento de la flotación cuántica sugiere un vasto paisaje inexplorado en el que la sincronía, la flotación y otros comportamientos colectivos pueden surgir espontáneamente de la ruidosa dinámica de muchos componentes cuánticos. A medida que avanza la ingeniería cuántica, estos fenómenos podrían algún día servir de base para el diseño de nuevas tecnologías cuánticas con funcionalidades emergentes derivadas de fluctuaciones cooperativas en las escalas más pequeñas.

Referencia(s)

1. Kazuaki Takasan, Kyosuke Adachi, Kyogo Kawaguchi. Activity-induced ferromagnetism in one-dimensional quantum many-body systems. Physical Review Research, 2024; 6 (2) DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023096

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