La localización de partículas múltiples en sistemas cuánticos cuestionada

En un estado denominado de localización multiquántica, las partículas que inicialmente están concentradas en una parte del sistema deberían permanecer en ella para siempre. Sin embargo, un nuevo trabajo teórico sugiere que esto no es así, y que las partículas se thermalizan en escalas de tiempo muy largas. El equipo del proyecto (de arriba a abajo): Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan y Prof. Dr. Michael Fleischhauer — todos de la TU Kaiserslautern — así como el Prof. Dr. Jeskao Sirker, de la Universidad de Manitoba. (Foto: TU Kaiserslautern)

Un equipo de físicos teóricos de la TU Kaiserslautern y de la Universidad de Manitoba en Canadá ha demostrado, mediante simulaciones numéricas exhaustivas en la supercomputadora "Elwetritsch": Las partículas cuánticas en una fase exótica de no equilibrio, conocida como localización de múltiples partículas, no son estables en escalas de tiempo largas, contrariamente a las teorías originales, y se thermalizan. Los resultados de la cooperación de investigación fueron publicados recientemente en la revista especializada Physical Review Letters y descritos en un artículo de síntesis en la revista Physics.

El mundo de las partículas cuánticas, que se encuentra a nivel subatómico, sigue sus propias leyes. Por ello, los estados en los que dichas partículas existen son difíciles de comprender mediante la física clásica. Una pregunta central, que sigue abierta y es ampliamente discutida: ¿Se aplica de manera ilimitada en el mundo cuántico el fenómeno omnipresente de la thermalisación, que en el mundo clásico? Específicamente, con thermalisación se refiere al proceso en el que un pequeño subsistema de un sistema cerrado alcanza, mediante intercambio de energía y partículas con otras partes, un estado que puede describirse con pocos parámetros y que cumple con las leyes universales de la termodinámica.

En los años 50, el ganador del Nobel Phillip Anderson, por ejemplo, demostró que los electrones sin interacción en un material desordenado permanecen localizados, es decir, permanecen en una pequeña región del espacio durante todo el tiempo, en lugar de difundirse por todo el sistema. "Al principio se pensaba que este efecto, conocido como localización de Anderson, sería destruido por las interacciones, hasta que se descubrió un estado exótico de la materia, llamado localización de múltiples partículas (many-body localization o MBL). Análogamente a la localización de Anderson, en una fase MBL no se espera difusión de partículas", explica el Prof. Dr. Michael Fleischhauer, que investiga en la TU Kaiserslautern (TUK) en el departamento de física.

La descripción teórica de la dinámica a largo plazo de estos sistemas cuánticos con interacción sigue siendo un gran desafío para los investigadores: hasta hoy no existe una comprensión completa de la MBL. Ahora, un equipo de físicos teóricos de la TUK y de la Universidad de Winnipeg, compuesto por Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, Dr. Razmik Unanyan, Prof. Jesko Sirker y el Prof. Fleischhauer, ha puesto en duda la visión previa de la MBL. Las simulaciones numéricas realizadas por los investigadores sugieren que las partículas de un sistema cuántico con MBL no permanecen localizadas, sino que difunden ininterrumpidamente por todo el sistema.

"Para demostrar esto, calculamos numéricamente la llamada entropía de número de partículas, es decir, la contribución a la entropía o, simplificando, la incertidumbre del subsistema, que surge por las fluctuaciones en el número de partículas en movimiento de un lado a otro", explica el Prof. Fleischhauer. "Si el sistema estuviera estrictamente localizado, las fluctuaciones en el número de partículas y, por tanto, la entropía de número de partículas, deberían alcanzar rápidamente un valor constante y pequeño. En cambio, las simulaciones mostraron que la entropía de número de partículas crece ininterrumpidamente, aunque de forma extremadamente lenta, proporcional a ln(ln(t))." Estos resultados demuestran que existe un mecanismo aún desconocido que lleva a que los sistemas solo se localicen en escalas de tiempo mucho mayores, o que la MBL, en sentido estricto, no existe.

Información adicional sobre las publicaciones ya realizadas:

M. Kiefer-Emmanouilidis, R. Unanyan, M. Fleischhauer, J. Sirker
Evidencia de crecimiento ilimitado de la entropía de número en fases de localización de muchas partículas
Phys. Rev. Lett. 124 243601 (2020)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.243601

Erika K. Carlson
Los estados de localización de muchas partículas se acercan al equilibrio
Physics 13, s80 (2020)
https://physics.aps.org/articles/v13/s80

Preguntas respondidas por:

Prof. Dr. Michael Fleischhauer
Tel.: 0631 205-3206
E-Mail: mfleisch@physik.uni-kl.de