La materia cuántica lenta se revela como pariente matemático de los agujeros negros

Físicos encontraron una relación matemática entre un imán cuántico casi inmóvil y el régimen que se utiliza para describir ciertos procesos en agujeros negros. Los cálculos mostraron cómo un sistema con dinámica magnética extremadamente lenta, al intensificarse las oscilaciones cuánticas, comienza a comportarse de forma completamente distinta: la información se propaga rápidamente entre partículas fuertemente correlacionadas.

Hossein Hosseinabadi, Subir Sachdev y Jamir Marino estudiaron un vidrio de espín. En ese estado, los diminutos momentos magnéticos de las partículas apuntan en direcciones diferentes y se impiden mutuamente ordenar. Al enfriarse, el sistema parece quedar atrapado entre muchas configuraciones posibles y responde muy lentamente a los cambios.

Los investigadores decidieron comprobar qué ocurriría si las oscilaciones cuánticas se volvieran lo bastante intensas. Según sus cálculos, las oscilaciones empiezan a destruir la estabilidad del vidrio de espín y reducen notablemente la temperatura a la que los momentos magnéticos pasan a un estado casi inmóvil. En lugar de una simple ralentización adicional aparece un amplio régimen con una dinámica totalmente distinta.

Matemáticamente, el comportamiento del sistema se aproxima al modelo Sachdev-Ye-Kitaev, abreviado SYK. El modelo describe un gran número de partículas cuánticas con interacciones aleatorias, que resultan estar tan fuertemente conectadas que la información inicialmente local se distribuye rápidamente por todo el sistema. Aquí desempeña un papel importante el entrelazamiento cuántico: el estado de las partículas individuales ya no puede describirse por completo de forma independiente de las demás.

El SYK lleva tiempo atrayendo la atención de los físicos por otra razón. La misma construcción matemática ayuda a estudiar cómo se comporta la información cuántica en algunos modelos teóricos de agujeros negros. Por eso la conexión hallada no significa que el imán se convierta en algo semejante a un agujero negro. Coincide la descripción matemática de un determinado régimen, no los objetos físicos en sí.

La sorpresa tiene que ver, sobre todo, con la dirección de los cambios. Normalmente, el enfriamiento aumenta el orden o ralentiza el movimiento de las partículas. Aquí, por el contrario, las oscilaciones cuánticas impiden que los momentos magnéticos queden definitivamente fijados y trasladan el sistema de una dinámica extremadamente lenta a un estado donde la información se propaga mucho más rápido.

Los cálculos no prometen la desaparición completa del vidrio de espín. A las temperaturas y energías más bajas, su dinámica lenta vuelve a dominar. El régimen SYK aparece entre dos regiones y se mantiene en un rango bastante amplio de frecuencias y temperaturas. Por eso es más correcto hablar no de una transformación total de un estado de la materia en otro, sino de una transición entre distintos tipos de comportamiento cuántico.

El trabajo, por ahora, sigue siendo teórico. Los físicos consideraron un modelo idealizado de Heisenberg con interacciones aleatorias, donde cada momento magnético puede estar conectado con cualquiera de los demás. No demostraron un material real con las mismas propiedades.

La conexión hallada resulta interesante porque reúne dos maneras opuestas de tratar la información cuántica. El vidrio de espín puede retener una perturbación durante mucho tiempo, mientras que el régimen SYK distribuye rápidamente la información entre multitud de partículas. Comprender la transición entre esos estados podría ser útil para el estudio de la memoria cuántica, materiales magnéticos complejos y métodos para controlar la propagación de la información en sistemas cuánticos.