Els ions amb càrrega positiva es repel·leixen. Ara bé, quan aquests ions estan immersos en un condensat de Bose-Einstein −que és un gas amb propietats quàntiques a temperatures molt baixes (−273,15 °C)−, els dos ions s'atrauen entre sí. El mecanisme físic base en aquestes atraccions es deu a les interaccions atractives induïdes a través del gas quàntic. Malgrat que fins i tot en configuracions realistes l'energia potencial dels ions és molt forta, l'ús d'un gas quàntic com a refrigerant pot aportar perspectives interessants per a les tecnologies quàntiques futures, com ara un ordinador quàntic basat en cadenes iòniques.

Així ho ha demostrat un equip internacional d’investigadors en el qual s’inclou Grigori Astrakharchik, del Departament de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), que ha estudiat, mitjançant tècniques numèriques d'última generació, com dues quasipartícules iòniques interactuen entre elles. Els resultats de la recerca es publiquen a la revista Nature Communications.

Quan un sol ió està submergit en un condensat de Bose-Einstein forma una quasipartícula anomenada polaró de Bose iònic. L'ió, juntament amb les excitacions de baixa energia del condensat de Bose-Einstein, formen una nova partícula amb una massa i una energia diferents respecte a l'ió solitari (nu).

L’equip de científics ha trobat diferents règims que van des de la descripció de quasipartícules, on els ions pertorben lleugerament el medi, fins a un règim fortament correlacionat en el qual les interaccions induïdes emergeixen fortament per la presència d'estats lligats a molts cossos. Segons el treball, la interacció induïda entre els ions d'aquest sistema té propietats úniques que no són reproduïbles mitjançant impureses neutres.

Així, els investigadors han descobert que l'aparició d'un estat lligat a molts cossos, en el qual es troben molts bosons a prop de l'ió, modifica fortament la forma de la interacció induïda entre les quasipartícules (interacció polaró-polaró), així com la seva escala d'energia. Per tant, la recerca introdueix una nova classe d'estats bipolarònics en matèria quàntica.

A més, en l’article científic es mostra que tant els mètodes analítics com els diagramàtics no són adequats per descriure les propietats de molts cossos de les mescles quàntiques de sistemes tipus àtom-ió en el règim d'interaccions fortes.  

Els resultats obtinguts són de gran transcendència tant des del punt de vista teòric com experimental. No només són d’interès per a la recerca de la física de sistemes hírids ió-àtom, sinó també per a la simulació quàntica de models d'impureses, així com per a la computació quàntica amb ions atrapats. Aquest és el primer pas cap a interaccions induïdes més complexes entre impureses carregades. Amb la previsió de controlar aquestes interaccions al laboratori, en un futur proper es poden explorar nous fenòmens d’interacció de la matèria quàntica.

En la recerca han participat científics del Departament de Física Quàntica i Astrofísica, i de l’Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB) de la Universitat de Barcelona; l’Institut für Theoretische Physik, de la Leibniz Universität Hannover; la Faculty of Physics de la University of Warsaw, de Polònia, i el Zentrum für Optische Quantentechnologien, Fachbereich Physik, d’Hamburg, a Alemanya.

El treball compta amb el suport de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, l'Agència Nacional Polonesa d'Intercanvi Acadèmic (NAWA); de la Secretaria d'Universitats i Recerca del Departament d'Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya, cofinançat pel Fons de Desenvolupament Regional de la Unió Europea dins del Programa FEDER de Catalunya, i del MINECO espanyol.

Més informació

• 'Many-body bound states and induced interactions of charged impurities in a bosonic bath' (article publicat a Nature Communications)