Los iones con carga positiva se repelen. Ahora bien, cuando están inmersos en un condensado de Bose-Einstein −que es un gas con propiedades cuánticas a temperaturas muy bajas (-273,15° C)−, ambos iones se atraen entre sí. El mecanismo físico base de estas atracciones se debe a las interacciones atractivas mediadas a través del gas cuántico. Aunque incluso en configuraciones realistas la energía potencial de los iones es muy fuerte, el uso de un gas cuántico como refrigerante puede aportar perspectivas interesantes para las tecnologías cuánticas futuras, como un ordenador cuántico basado en cadenas iónicas.

Así lo ha demostrado un equipo internacional de investigadores, en el que se incluye Grigori Astrakharchik, del Departamento de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), que ha estudiado mediante técnicas numéricas de última generación cómo dos cuasipartículas iónicas interactúan entre ellas. Los resultados de la investigación se publican en la revista Nature Communications.

Cuando un solo ion está sumergido en un condensado de Bose-Einstein forma una cuasipartícula llamada polarón iónico de Bose. El ion, junto con las excitaciones de baja energía del baño térmico o del condensado de Bose-Einstein, forman una nueva partícula con una masa y energía diferentes respecto al ion solitario (desnudo).

El equipo de científicos ha encontrado diferentes regímenes que van desde la descripción de cuasipartículas, donde los iones perturban ligeramente el medio, hasta un régimen fuertemente correlacionado en el que las interacciones inducidas emergen fuertemente por la presencia de estados ligados a muchos cuerpos. Según el trabajo, la interacción inducida entre los iones de este sistema tiene propiedades únicas que no son reproducibles usando impurezas neutras.

Así, los investigadores han descubierto que la aparición de un estado ligado a muchos cuerpos, en el que se encuentran muchos bosones cerca del ion, modifica fuertemente la forma de la interacción inducida entre las cuasipartículas (interacción polarón-polarón), así como su escala de energía. Por tanto, la investigación introduce una nueva clase de estados bipolarónicos en materia cuántica.

Además, en el artículo científico se muestra que tanto los métodos analíticos como los diagramáticos no son adecuados para describir las propiedades de muchos cuerpos de las mezclas cuánticas de sistemas tipo átomo-ion en el régiimen de interacciones fuertes.

Los resultados obtenidos son de gran trascendencia tanto a nivel teórico como experimental. No sólo son de interés para la investigación de la física de sistemas híbridos ion-átomo, sino también para la simulación cuántica de modelos de impurezas, así como para la computación cuántica con iones atrapados. Éste es el primer paso hacia interacciones inducidas más complejas entre impurezas cargadas. Con la previsión de controlar estas interacciones en el laboratorio, en un futuro cercano se pueden explorar nuevos fenómenos de interacción de la materia cuántica.

En la investigación han participado científicos del Departamento de Física Cuántica y Astrofísica y del Instituto de Ciencias del Cosmos (ICCUB) de la Universidad de Barcelona; del Instituto für Theoretische Physik, de la Leibniz Universität Hannover; de la Faculty of Physics de la Universidad de Warsaw, de Polonia, y del Zentrum für Optische Quantentechnologien, Fachbereich Physik, de Hamburgo, en Alemania.

El trabajo cuenta con el apoyo de la Deutsche Forschungsgemeinschaft, la Agencia Nacional Polaca de Intercambio Académico (NAWA), y la Secretaría de Universidades e Investigación del Departamento de Empresa y Conocimiento de la Generalitat de Cataluña, cofinanciado por el Fondo de Desarrollo Regional de la Unión Europea dentro del Programa FEDER de Cataluña, y del del Ministerio de Asuntos Económicos y Transformación Digital (MINECO).

Més informació

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