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Descubriendo las interacciones entre partículas: el "bombeo de carga topológica inducido por interacciones"

En un trabajo de colaboración internacional con físicos experimentales de Suiza, un equipo del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, en el que participa un docente del Instituto Balseiro, logró demostrar la teoría sobre las interacciones entre partículas en el “bombeo de carga topológica”. Esta nota producida por el Área de Comunicación y Prensa del INN, y que se comparte en el sitio web del IB, brinda más detalles sobre esta investigación.

Fecha de publicación: 03/07/2024

La física cuántica revela fenómenos fascinantes que desafían nuestra comprensión clásica del mundo. Uno de estos fenómenos es el "bombeo de carga topológica", que implica el movimiento cuántico controlado de partículas en respuesta a la modulación cíclica de ciertos parámetros externos. Este artículo busca explicar de manera sencilla cómo las interacciones entre partículas pueden influir en este proceso, basándonos en un reciente estudio experimental realizado por un equipo de físicos. El Investigador del CONICET en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN) y docente del Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO), Dr. Armando Aligia, explica los pasos que hicieron posible este hallazgo.

¿Qué es el bombeo de carga topológica? "Imaginemos un sistema en el que podemos mover partículas lentamente modificando su entorno de manera cíclica, como si empujáramos suavemente una bola a lo largo de una pista ondulada." En física cuántica, esta pista puede ser un "paisaje de energía" que cambia en el tiempo. El bombeo de carga topológica, propuesto por el físico David Thouless, describe cómo, al completar un ciclo de modulación y volviendo al estado inicial, las partículas se desplazan de manera cuantizada, es decir, en unidades enteras.

Este proceso no depende de las características detalladas del sistema sino de sus propiedades topológicas, que son robustas frente a perturbaciones pequeñas. Esto es similar a cómo un nudo en una cuerda no se deshace fácilmente con pequeños tirones.

A mediados del año 2021, investigadores de un centro de Alemania se contactaron con el Dr. Armando Aligia para invitarlo a sumarse al desarrollo de un trabajo teórico. “En ese trabajo, iniciado de manera virtual, surge la interrogante del bombeo de cargas, tema del que no sabía mucho, pero sí de otros modelos con los que trabajé”, comenta Aligia. “Intercambiando conocimiento se me ocurrió la idea de bombear una sola carga y usar las interacciones, ellos siempre lo hacían con dos. Eso se publicó ese año y simultáneamente un grupo experimental de Suiza publica también un experimento bombeando 2 cargas. Nos contactamos con este grupo de Suiza, viajamos Eric, el estudiante del centro alemán, y yo y comenzamos la colaboración. Finalmente los suizos hacen el experimento con nuestra idea obteniendo los resultados que anteriormente había calculado Eric y con eso se logra la publicación en conjunto de este descubrimiento”, concluye Aligia.

La novedad del estudio: interacciones entre partículas

Tradicionalmente, los experimentos de bombeo topológico se han centrado en sistemas donde las partículas no interactúan entre sí. Sin embargo, este nuevo estudio se enfoca en cómo las interacciones entre partículas (en este caso, átomos fermiónicos) pueden inducir y modificar el bombeo de carga. Utilizando un entramado óptico dinámico, el equipo logró observar cómo las interacciones fuertes cambian la dinámica del bombeo.

El experimento

El equipo utilizó átomos de potasio-40 atrapados en una red óptica, una estructura creada con láseres que puede controlar la posición de los átomos con gran precisión. Al variar ciertos parámetros de la red, lograron imitar las condiciones del modelo de Rice-Mele-Hubbard, un modelo teórico que describe partículas que pueden saltar entre sitios de una red y que interactúan fuertemente cuando ocupan el mismo sitio.

El experimento lo que hace es mostrar cómo en el espacio las partículas se van moviendo de un lado a otro dependiendo de la topografía generada por los láseres.

Resultados 

Se demostró que las interacciones pueden inducir un bombeo de carga topológica que no tiene un análogo en sistemas sin interacciones. Este fenómeno, que no ocurre en sistemas sin interacciones, sugiere que las interacciones pueden estabilizar nuevos comportamientos topológicos en la materia.

El equipo encontró que utilizando un ciclo conveniente, no hay bombeo de carga cuando no hay interacción. Para interacciones moderadas, un punto crítico cuántico (este punto separa básicamente un aislador de banda usual de un aislador de Mott, que tiene una carga por sitio) entra en el ciclo y la carga transferida por ciclo es de un electrón, comparado con dos en el caso usual no interactuante. A niveles de interacción muy altos, el bombeo se vuelve trivial nuevamente porque el punto crítico cuántico se mueve fuera del ciclo, y las interacciones dominan completamente el comportamiento del sistema.

Implicaciones
Este estudio abre la puerta a una mejor comprensión de cómo las interacciones entre partículas pueden inducir y estabilizar fases topológicas en sistemas cuánticos. Estas investigaciones no solo son fundamentales para la física teórica sino que también tienen potenciales aplicaciones en la creación de dispositivos cuánticos robustos y precisos.

Conclusión
El bombeo de carga topológica inducido por interacciones es un campo prometedor para explorar nuevos estados de la materia. Este experimento pionero demuestra que, al controlar las interacciones entre partículas, podemos observar y aprovechar fenómenos cuánticos que antes solo eran teorías. "A medida que avanzamos en nuestra comprensión de estos sistemas, estamos un paso más cerca de desarrollar tecnologías cuánticas avanzadas."

Detrás de escena

El docente-investigador reflexionó también sobre la importancia de mantener financiada a la ciencia y la tecnología manteniendo la ejecución y otorgamiento de proyectos PICT, y particularmente mostró preocupación por la situación de becas doctorales y posdoctorales así como por los casos de investigadores recientemente incorporados a CONICET que aún no han percibido sus salarios. "Estamos perdiendo gente muy valiosa que puede transferir conocimientos a la industria y a la sociedad”, reflexionó Armando Aligia.

Publicación científica: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021049 

Fuente: Por Natalia Gorbarán - Comunicación INN 

Esta nota fue producida desde el Área de Comunicación del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, y adaptada para ser publicada en el sitio web del Instituto Balseiro. Link a la nota original: aquí.

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Área de Comunicación Institucional y Prensa (ACIyP- IB)

Crédito fotos: Gentileza

Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 03/07/2024

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