Quantum motility-induced phase separation

En el bullicioso mundo de la física, existe una clase de materiales conocidos como materia activa. A diferencia de un montón de arena o una taza de agua, que permanecen quietos a menos que se les empuje desde el exterior, la materia activa está compuesta por diminutas partículas que se mueven por sí mismas. Estas partículas, que pueden ser bacterias, robots sintéticos o incluso bandadas de aves, consumen constantemente energía para impulsarse hacia adelante. Cuando suficientes de estas partículas autopropulsadas se reúnen, no solo se mueven de forma aleatoria; se organizan. Una de las formas más sorprendentes en que se organizan es a través de un fenómeno llamado separación de fases inducida por la motilidad. Imagine una habitación abarrotada donde todos intentan caminar en una dirección específica. Si la multitud se vuelve demasiado densa, la gente se ralentiza porque chocan entre sí. Este frenado provoca que aún más personas se amontonen detrás de ellos, creando un grupo denso y de movimiento lento, mientras que las áreas con menos personas permanecen rápidas y vacías. Esto sucede incluso si las partículas no se atraen entre sí; el mero hecho de moverse y quedarse atrapado es suficiente para dividir el sistema en regiones densas y diluidas.

Durante mucho tiempo, este comportamiento se entendió solo en el mundo clásico de los objetos cotidianos. Sin embargo, recientemente, los científicos han comenzado a preguntarse qué sucede cuando estas reglas se aplican al mundo cuántico, donde las partículas pueden existir en múltiples estados a la vez y están vinculadas por hilos invisibles de coherencia. La pregunta era si el movimiento caótico y de consumo de energía de la materia activa podría coexistir con la naturaleza delicada y sincronizada de la mecánica cuántica. ¿Destruirían los constantes sacudidas y la disipación de energía las conexiones cuánticas, o podrían estas dos fuerzas trabajar juntas para crear algo completamente nuevo?

Un equipo de investigadores ha proporcionado ahora evidencia convincente de que la respuesta es sí. Al construir un modelo teórico de partículas activas que se comportan según las leyes cuánticas, han demostrado que una versión cuántica de este fenómeno de agrupamiento puede, de hecho, ocurrir. Los investigadores crearon una simulación de una línea unidimensional de partículas que actúan como bosones de núcleo duro, un tipo de partícula cuántica que no puede ocupar el mismo espacio que otra. Estas partículas tienen un estado interno, como una pequeña flecha apuntando a la izquierda o a la derecha, que dicta la dirección en la que se mueven. Saltan hacia adelante en la dirección de su flecha, pero solo pueden aterrizar en un lugar vacío. Ocasionalmente, un proceso cuántico invierte su flecha, cambiando su dirección, de forma muy similar a un corredor que decide dar la vuelta.

El equipo realizó estas simulaciones utilizando un método computacional potente que les permitió rastrear el comportamiento de hasta mil partículas. Descubrieron que cuando el giro cuántico de las flechas ocurría lentamente, las partículas comenzaban a agruparse. Al igual que en la versión clásica, las partículas se ralentizaban en las zonas densas, lo que provocaba una acumulación de materia. Sin embargo, los resultados revelaron una diferencia crucial. En la versión más simple de su modelo, las partículas formaban cúmulos, pero estos cúmulos mantenían un tamaño finito, sin llegar nunca a llenar toda la línea. Esto se conoce como separación de microfases, donde el sistema se organiza en muchos grupos pequeños y distintos en lugar de una sola masa gigante. Los investigadores observaron que el número de partículas en una pequeña sección de la línea fluctuaba violentamente, un signo característico de este comportamiento de agrupamiento.

Para ver si podían forzar a las partículas a separarse en un único dominio masivo, los investigadores añadieron una nueva regla: una fuerza repulsiva entre vecinos. Esta fuerza hacía que fuera energéticamente desfavorable que las partículas estuvieran una al lado de la otra, a menos que estuvieran orientadas de una manera específica que fomentara que se atraparan juntas. Con esta adición, las simulaciones mostraron que los cúmulos crecían drásticamente más grandes a medida que el tamaño del sistema aumentaba, lo que sugiere una separación de fases verdadera y genuina, donde las partículas se dividen en una región densa y una región diluida.

Quizás el descubrimiento más sorprendente fue lo que le sucedió a la naturaleza cuántica de las partículas durante este caótico agrupamiento. En la física clásica, cuando las partículas chocan entre sí y se ralentizan, cualquier conexión cuántica delicada suele ser destruida por el ruido y la fricción. Los investigadores esperaban que el constante salto y la disipación de energía borraran la coherencia cuántica. En cambio, descubrieron que los estados estacionarios agrupados mantenían una fuerte coherencia cuántica de largo alcance. Las partículas dentro de los cúmulos densos permanecían vinculadas en un estado cuántico sincronizado, una característica que no tiene equivalente en el mundo clásico. El propio acto de agruparse creó un entorno protegido donde las conexiones cuánticas podían sobrevivir e incluso prosperar.

El estudio sugiere que la interacción entre el impulso de consumo de energía de la materia activa y la naturaleza delicada de la coherencia cuántica no conduce a la destrucción, sino a la cooperación. La actividad que impulsa a las partículas a agruparse ayuda, de hecho, a preservar su estado cuántico. Este hallazgo establece un nuevo tipo de estado cuántico fuera del equilibrio, distinto de cualquier cosa vista anteriormente. Aunque estos resultados provienen de simulaciones por computadora, los ingredientes utilizados para construir el modelo —disipación dirigida, rotación coherente y reglas de exclusión estricta— están al alcance de la tecnología experimental actual utilizando átomos ultrafríos. Esto abre la puerta a futuros experimentos para observar estos cúmulos cuánticos en un laboratorio real, revelando potencialmente una nueva frontera donde el movimiento caótico de la materia activa y el orden misterioso de la mecánica cuántica se combinan para dar forma al futuro de los materiales cuánticos.