Nou marc teòric per descriure com certs sistemes quàntics eviten l’equilibri
Investigadors estableixen una descripció teòrica robusta de la localització de molts cossos (MBL, per les seves sigles en anglès), un fenomen que impedeix que sistemes quàntics de molts cossos arribin a l’equilibri. Aquest avanç permet comprendre i demostrar la MBL en una gamma més àmplia de sistemes quàntics de molts cossos.
Quan moltes partícules quàntiques evolucionen al llarg del temps, típicament acaben assolint un estat d’equilibri mitjançant un procés anomenat termalització. Un fenomen similar té lloc en molts sistemes clàssics. Per exemple, si poses un glaçó dins un termo amb aigua, el glaçó es fon i l’estat final (d’equilibri) és simplement aigua més freda que abans.
En física clàssica, els sistemes complexos eventualment arriben a l’equilibri (si esperes prou temps, el glaçó sempre es fon). Tanmateix, certs sistemes quàntics de molts cossos desafien aquesta norma. Per a ells, la termalització no es produeix i el sistema es manté fora d’equilibri. Aquest és el cas d’una àmplia classe de sistemes fortament desordenats, on característiques com les interaccions entre partícules o les energies individuals mostren un cert grau d’aleatorietat. Aquest comportament es deu a la localització de molts cossos (MBL), un mecanisme que preserva les condicions inicials del sistema al llarg del temps.
Les integrals locals del moviment (LIOMs, per les seves sigles en anglès) constitueixen un marc teòric àmpliament utilitzat per estudiar la MBL. No obstant això, un article recent publicat a Physical Reviews Letters i liderat per la Uniwersytet Jagielloński, amb la col·laboració dels investigadors de l’ICFO, el Dr. Piotr Sierant i el Prof. ICREA Maciej Lewenstein, mostra que les LIOMs són insuficients per descriure el comportament d’una àmplia classe de sistemes, en particular aquells amb tipus més complexos de desordre. Ells proposen un nou marc teòric, el grup de renormalització en espai real per a estats excitats (RSRG-X, per les seves sigles en anglès), que pot explicar la MBL en un major nombre de sistemes quàntics de molts cossos.
L’equip sabia que les LIOMs poden capturar el comportament de la MBL quan el desordre del sistema afecta propietats individuals de les partícules (desordre localitzat). Tanmateix, sospitaven que les LIOMs no podien descriure sistemes on l’aleatorietat influeix en les interaccions entre partícules (desordre d’enllaç).
Per provar aquesta hipòtesi, els investigadors van aplicar el RSRG-X a una cadena desordenada per enllaços de partícules amb espín (és a dir, partícules que es comporten com petits imants). Els resultats van mostrar que, efectivament, el RSRG-X proporciona una descripció teòrica de la MBL en aquests sistemes, on les LIOMs ni tan sols existeixen. El seu marc teòric revela noves característiques de la MBL en sistemes quàntics de molts cossos, incloent-hi uns nivells energètics amb separacions anòmalament petites, l’aparició d’estructures d’entrellaçament no trivials i la presència de quantitats observables que permeten la demostració experimental del fenomen. La descripció obtinguda va resultar qualitativament precisa i, d’aquesta manera, els investigadors van demostrar la validesa del procediment.
“Hem proporcionat un marc aplicable a una gamma més àmplia de sistemes i, gràcies a això, hem mostrat que la física de la MBL és més rica del que es pensava”, explica el Dr. Piotr Sierant. A més, l’enfocament innovador té implicacions que poden ser provades en experiments, per exemple, amb gasos d’àtoms ultrafreds o qubits superconductors. El Dr. Sierant afegeix: “Els àtoms de Rydberg són només una plataforma, entre moltes altres, on els sistemes que tenim en ment es podrien realitzar. Això és molt convenient perquè, com a teòrics, ens encantaria veure el nostre marc implementat en un escenari del món real”.
Referència:
Adith Sai Aramthottil, Piotr Sierant, Maciej Lewenstein, and Jakub Zakrzewski, Phys. Rev. Lett. 133, 196302.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.196302
Agraïments:
The work of A.S.A. has been realized within the Opus grant 2019/35/B/ST2/00034, financed by National Science Centre (Poland). P.S. acknowledges support from: ERC AdG NOQIA; MICIN/AEI
(PGC2018-0910.13039/501100011033, CEX2019-000910-S/10.13039/501100011033, Plan National FIDEUA PID2019-106901GB-I00, FPI; MICIIN with funding from European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1): QUANTERA MAQS PCI2019-111828-2); MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “European Union NextGeneration EU/PRTR" QUANTERA DYNAMITE PCI2022-132919 within the QuantERA II Programme that has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement No 101017733Proyectos de I+D+I “Retos Colaboración” QUSPIN RTC2019-007196-7); Fundació Cellex; Fundació Mir-Puig; Generalitat de Catalunya (European Social Fund FEDER and CERCA program, AGAUR Grant No. 2021 SGR 01452, QuantumCAT U16-011424, co-funded by ERDF Operational Program of Catalonia 2014-2020); Barcelona Supercomputing Center MareNostrum (FI-2024-1-0043); EU (PASQuanS2.1, 101113690); EU Horizon 2020 FET-OPEN OPTOlogic (Grant No 899794); EU Horizon Europe Program (Grant Agreement 101080086— NeQST), ICFO Internal “QuantumGaudi” project; European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie-Skłodowska-Curie grant agreement No 101029393 (STREDCH) and No 847648 (“La Caixa” Junior Leaders fellowships ID100010434:
LCF/BQ/PI19/11690013, LCF/BQ/PI20/11760031, LCF/BQ/PR20/11770012, LCF/BQ/PR21/11840013). E.P. is supported by “Ayuda (PRE2021-098926) financiada por MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 y por el FSE+". The work of J.Z. was funded by the National Science Centre, Poland, project 2021/03/Y/ST2/00186 within the QuantERA II Programme that has received funding from the European Union Horizon 2020 research and innovation programme under Grant agreement No 101017733. A partial support by the Strategic Programme Excellence Initiative at Jagiellonian University is acknowledged.