19-12-2017 / 19:30 h EFE

Un grupo de investigadores de cuatro países, en el que participan tres universidades madrileñas -Complutense, Autónoma y Carlos III- ha diseñado un nuevo sistema cuántico que puede modificar sus propiedades en función del tamaño.

El artículo, que se publica hoy en la revista estadounidense PNAS, tiene "importantes implicaciones en las técnicas que se emplean para estudiar los materiales cuánticos", según explica la Universidad Complutense de Madrid (UCM) en un comunicado.

"Muchos sistemas cambian sus propiedades cuando se modifica alguno de sus parámetros", como el agua que se convierte en hielo cuando baja su temperatura. En sistemas con temperatura cero, cuya física obedece a las leyes de la mecánica cuántica, estos cambios de fase son provocados por cambios en alguno de los parámetros, como la intensidad de un campo magnético externo, añade la UCM.

El artículo titulado 'Size-driven quantum phase transitions' revela que también el tamaño del sistema "puede generar un cambio de fase", según este estudio que muestra, por primera vez, la existencia de sistemas que "pasan de un comportamiento clásico a uno cuántico al modificar tan solo su extensión".

Los tamaños que provocan la transición del sistema se pueden fijar en cualquier orden de magnitud, desde uno microscópicamente pequeño a uno tan grande como el número de átomos del universo, según David Pérez-García, del Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT), centro mixto del CSIC y la UCM.

El sistema diseñado por los autores presenta propiedades clásicas o cuánticas dependiendo de los recubrimientos que se puedan formar usando baldosas cuadradas con los bordes coloreados, con la restricción de que las baldosas adyacentes tienen que tener el mismo color en el borde que comparten.

El tamaño al cual el patrón de baldosas empieza a repetirse de forma periódica da el tamaño crítico al que se produce la transición del estado clásico al cuántico.

El número de colores de los azulejos determina la complejidad de realizar de forma experimental el sistema propuesto. "El problema es obtener repeticiones periódicas con periodos largos usando un número reducido de colores. Para ello usamos una técnica basada en propiedades de los números primos", según los autores.

Gran parte del conocimiento teórico actual sobre materiales cuánticos, como los superconductores de alta temperatura, se obtiene a partir de simulaciones numéricas. El tiempo de computación y la memoria disponibles limitan las simulaciones a un número de partículas mucho menor que el que habitualmente está presente en los materiales.

Para sortear esta dificultad, se analiza un número creciente de partículas y se extrapolan los datos numéricos hasta el caso límite de un número infinito de partículas, el llamado límite termodinámico.

En este artículo se dan "pasos importantes para poder realizar observaciones experimentales de estos efectos indecidibles, construyendo modelos sencillos cuyos parámetros entran dentro de las capacidades de experimentación previstas en un futuro cercano", añade la nota.

La investigación ha recibido fondos de la Academia Nacional de Ciencias Alemana, el Consejo de investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería (EPSRC), la Royal Society (Reino Unido), el Consejo de Investigación Independiente Danés (Sapere Aude), del Ministerio de Economía y Competitividad español (MINECO), la Comunidad de Madrid y el Consejo Europeo de Investigación (ERC), entre otros.

Además de las universidades madrileñas, han participado las universidades de Cambridge, Londres (UCL), Copenhague, así como la Universidad Técnica de Munich.

 
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