Los grupos de investigación dirigidos por los profesores Lu-Ming Duan, Dong-Ling Deng y Pan-Yu Hou del Instituto de Ciencias de la Información Interdisciplinaria de la Universidad Tsinghua observaron experimentalmente el congelamiento dinámico en un conjunto de espines de estado sólido que interactúan entre sí, según informó la institución china. Los hallazgos fueron publicados recientemente en Nature bajo el título "Congelamiento dinámico para magnetometría en un conjunto de espines que interactúan".

Comprender y controlar la dinámica de no equilibrio en sistemas cuánticos de muchos cuerpos representa un desafío fundamental en la física de materia condensada, la física atómica y la ciencia de la información cuántica, según el estudio. Generalmente, los sistemas cuánticos que interactúan tienden a termalizarse durante su evolución dinámica, lo que provoca que la información codificada en sus estados iniciales y características coherentes se disipe rápidamente. Este problema es particularmente pronunciado en sistemas cuánticos impulsados, donde el impulso externo puede calentar continuamente el sistema hacia un estado de "temperatura infinita" sin características distintivas, borrando efectivamente las señales observables.

Si bien la termalización cuántica es central para comprender la materia cuántica de no equilibrio, obstaculiza severamente aplicaciones prácticas como la detección cuántica, según los investigadores. En muchas plataformas de metrología cuántica, las interacciones inevitables entre partículas individuales impulsan la termalización y la decoherencia, limitando así el tiempo óptimo de detección. Consecuentemente, un objetivo de larga data en el campo ha sido suprimir la termalización en sistemas de muchos cuerpos que interactúan, extender los tiempos de coherencia y aprovechar estos efectos para mejorar el rendimiento de detección.

Los enfoques anteriores para romper la termalización se han basado principalmente en la localización inducida por desorden o la pretermalización inducida por impulso de alta frecuencia, según la universidad. Estudios teóricos recientes propusieron un mecanismo distinto: bajo un impulso periódico de amplitud fuerte y frecuencia intermedia, un sistema cuántico de muchos cuerpos que interactúa puede entrar en un estado congelado dinámicamente, protegido por leyes de conservación emergentes. Sin embargo, observar este fenómeno en un sistema cuántico grande de muchos cuerpos que interactúan había permanecido como un desafío.

Para abordar este reto, el grupo de investigación utilizó un conjunto de aproximadamente 10,000 espines electrónicos de centros de vacancia de nitrógeno que interactúan en diamante como plataforma experimental, según el estudio. Los espines se inicializan y leen con pulsos láser y se controlan coherentemente mediante campos de microondas globales. Bajo parámetros de impulso específicos, el conjunto de espines que interactúan evolucionó hacia un estado dinámico especial de no equilibrio. En lugar de termalizarse rápidamente, el sistema mantuvo la polarización colectiva de espín durante largos tiempos de evolución, exhibiendo un comportamiento dinámicamente "congelado".

Los experimentos mostraron que cuando los parámetros de impulso satisfacían una condición específica de congelamiento, la magnetización total del espín permaneció estable durante más de 200 ciclos de impulso, durando más de un orden de magnitud mayor que el tiempo de coherencia limitado por interacción, según los resultados publicados. En contraste, cuando los parámetros de impulso se ajustaron fuera de la condición de congelamiento, el sistema rápidamente exhibió comportamiento de termalización. Estos resultados demuestran que la magnetización de larga duración se origina en leyes de conservación emergentes inducidas por el impulso periódico. La cantidad conservada emergente evita que el conjunto de espines que interactúan se termalice rápidamente, permitiendo que la coherencia del observable colectivo persista mucho más allá del tiempo de coherencia limitado por las interacciones.

Además, el grupo de investigación aplicó el mecanismo de congelamiento dinámico a la detección de campos magnéticos. Los protocolos convencionales de detección cuántica de campos de corriente alterna típicamente dependen de secuencias de desacoplamiento dinámico para suprimir el ruido ambiental y extender los tiempos de coherencia, según el estudio. Sin embargo, en conjuntos de espines fuertemente interactuantes, las interacciones entre partículas limitan el tiempo óptimo de detección y, por lo tanto, limitan la precisión de medición.

Este trabajo demuestra una ruta diferente: usar cantidades conservadas emergentes en un sistema de muchos cuerpos impulsado para proteger la respuesta colectiva del espín a campos externos, según los investigadores. Bajo condiciones experimentales idénticas, el nuevo protocolo de detección basado en congelamiento dinámico logró una mejora de aproximadamente 2.7 veces en sensibilidad en comparación con métodos convencionales. Este enfoque supera el cuello de botella planteado por las interacciones y mejora significativamente la detección de campos magnéticos.

Este trabajo revela un mecanismo novedoso para suprimir la termalización basado en leyes de conservación emergentes y abre una nueva dirección para tecnologías de detección cuántica construidas sobre la física cuántica de muchos cuerpos, según la Universidad Tsinghua. Debido a que el enfoque requiere solo control global, proporciona una ruta prometedora hacia aplicaciones prácticas de detección cuántica que combinan alta resolución espacial con alta sensibilidad. Esto puede facilitar estudios en física de materia condensada, química y ciencia biomédica.

Los co-primeros autores del artículo son el investigador postdoctoral Ya-Nan Lu y el candidato a doctorado Dong Yuan, ambos del Instituto de Ciencias de la Información Interdisciplinaria, según la publicación. Los autores correspondientes son el profesor asociado Dong-Ling Deng, el profesor Lu-Ming Duan y el profesor asistente Pan-Yu Hou, todos del mismo instituto. El profesor asistente Hong-Zheng Zhao de la Escuela de Física de la Universidad de Pekín contribuyó a este trabajo.

El trabajo fue respaldado por el Programa de Innovación para Ciencia y Tecnología Cuántica, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Programa Dushi de la Universidad Tsinghua, el Instituto Shanghai Qi Zhi, el Programa de Investigación Científica Iniciativa de la Universidad Tsinghua y el Ministerio de Educación de China, según informó la institución.