Ajuntament de Terrassa - Societat del coneixement.

UPC - Universitat Politècnica de Catalunya - 04/04/2010


L'Institut de Ciències Fotòniques explica com el desordre a nivell microscòpic revela canvis importants en el comportament de la matèria


Universitat Politècnica de Catalunya

Investigadors de l'ICFO i de l'Institut d'Òptica de Palaiseau (França) descriuen noves tendències en l'estudi de sistemes desordenats mitjançant gasos ultrafreds




La recerca pot repercutir en els futurs simuladors i ordinadors quàntics


Un article publicat a la revista científica Nature Physics per Maciej Lewenstein, investigador ICREA de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), i Laurent Sánchez-Palencia, de l'Institut d'Òptica de Palaiseau (França), revisa la història recent del camp dels gasos ultrafreds, una de les apostes més segures en la implementació d'informació quàntica, amb ambiciosos projectes com ara els ordinadors i els simuladors quàntics. Aquests simuladors són la millor eina per a l'estudi de sistemes desordenats, d'altíssim interès en física, però massa complexos com per ser estudiats analíticament.

L'article descriu les fascinants perspectives d'aquesta línia de recerca, basada principalment en les prediccions teòriques de Lewenstein i Sánchez-Palencia sobre un nou fenòmen conegut com "ordre induït per desordre".

El desordre en el món físic es defineix com a petites impureses aleatòriament distribuïdes. És impossible d'eliminar completament en els sistemes físics reals, però el seu efecte sobre components microscòpics de la matèria no és tan dolent com es pensava al començament. Lewenstein i Sánchez-Palencia mostren que el desordre pot donar lloc a nous estats quàntics de matèria, com ara els cristalls quàntics o els superconductors "bruts", que poden contribuir definitivament en el processament d'informació quàntica.

Una de les diferències existents entre objectes macroscòpics i microscòpics és que els primers, com les pilotes de futbol o les boles de billar, poden rodar indefinidament (en el cas que no tingués cap fricció) sobre superfícies planes, fins i tot si aquestes presenten petites modulacions o rugositats. S'aturen, però, davant d'una paret o d'un forat en el terreny.

La situació és justament oposada en el món microscòpic. El caràcter ondulatori de les partícules quàntiques els permet actuar amb estratègies exclusives: quan es propaguen a través d'un mitjà amb obstacles, distribueixen la seva presència al llarg de tots els camins possibles. Aquests camins possibles interfereixen els uns amb els altres i, si aquesta interferència és constructiva, la partícula reforça la seva presència en llocs on no hauria d'haver arribat si estiguéssim parlant de partícules corrents. És així com s'eviten els obstacles en el món microscòpic.

Però hi ha una cosa que aquestes fascinants partícules no poden resistir: el desordre, les petites rugositats. Així, un conjunt d'obstacles aleatòriament distribuït, tot i que siguin molt i molt petits, deixen la partícula 'fóra de joc', sense armes per avançar. En aquest cas, la seva pròpia consistència ondulatòria juga en la seva contra, ja que la manca de regularitat en l'ordre dels obstacles provoca que la interferència entre camins sigui predominantment destructiva i, com a conseqüència, la presència de la partícula en la majoria dels punts de la caixa s'esvaeix i la partícula es localitza, només, en un punt determinat.

Aquest és el fenomen que es coneix com la "Localització d'Anderson", que va descriure el premi Nobel Philip Warren Anderson fa més de 50 anys. Aquests estudis són en bona part responsables del desenvolupament de l'era de la informació, perquè són processos de la localització en sistemes desordenats els que permeten l'emmagatzemament de dades en la memòria dels ordinadors.

Maciej Lewenstein és autor d'un article preliminar, publicat el 2003, en el qual es prediu la localització d'Anderson en gasos d'àtoms ultrafreds amb desordre controlat. Recentment, com expliquen ara Lewenstein y Sánchez-Palencia, aquests fenòmens de localització en gasos ultrafreds han estat observats experimentalment. Les gasos d'àtoms ultrafreds tenen un elevadíssim interès per als físics quàntics, ja que permeten observar macroscòpicament el comportament microscòpic de la matèria: són perfectes simuladors de fenòmens quàntics. A més, en aquests gasos és relativament fàcil dissenyar i controlar el desordre, de manera que són l'eina ideal per a l'estudi de tota una família de fenòmens d'ordre induït pel desordre.

Avançar en el coneixement de sistemes desordenats podria generar importants aplicacions: si els ordinadors tal i com es coneixen actualment són fruit del coneixement assolit fins ara sobre les propietats conductores i aïllants de la matèria -coneixement procedent dels estudis d'Anderson i altres sobre sistemes desordenats- és molt posible que els ordinadors quàntics del futur processin la información gestionant el desordre mitjançant sistemes ultrafreds.

Aquest desordre provocat, induït, és el que han descrit els investigadors i es realitza amb l'ajut dels làsers de manera controlada i a mida. Els investigadors expliquen també en el seu article que el desordre pot donar lloc a nous estats quàntics de la matèria, com ara cristalls quàntics o el que es coneix com superconductors bruts, un tipus de superconductors que han millorat les seves propietats tot afegint-los impureses.

L'article es pot consultar a Nature Physics: Nature.





Butlletí Innovem Terrassa !!!
Universitat i Societat del coneixement - Ajuntament de Terrassa.