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Una nueva teoría para sistemas que desafían la tercera ley de Newton

Una nueva teoría para sistemas que desafían la tercera ley de Newton


La bandada de pájaros también puede verse como una ruptura de la simetría: en lugar de volar en direcciones aleatorias, se alinean como los giros de un imán. Pero hay una diferencia importante: una transición de fase ferromagnética se explica fácilmente usando mecánica estadística porque es un sistema en equilibrio.

Pero las aves, y las células, las bacterias y los automóviles en el tráfico, agregan nueva energía al sistema. «Debido a que tienen una fuente de energía interna, se comportan de manera diferente», dijo Reichhardt. «Y como no conservan energía, aparece de la nada, en lo que respecta al sistema».

Más allá de Quantum

Hanai y Littlewood comenzaron su investigación sobre las transiciones de fase BEC pensando en transiciones de fase comunes y conocidas. Considere el agua: aunque el agua líquida y el vapor se ven diferentes, dijo Littlewood, básicamente no hay distinción de simetría entre ellos. Matemáticamente, en el punto de la transición, los dos estados son indistinguibles. En un sistema en equilibrio, ese punto se llama punto crítico.

Los fenómenos críticos aparecen por todas partes: en cosmología, física de altas energías, incluso en sistemas biológicos. Pero en todos estos ejemplos, los investigadores no pudieron encontrar un buen modelo para los condensados ​​que se forman cuando los sistemas de mecánica cuántica se acoplan al medio ambiente, sometidos a amortiguamiento y bombeo constantes.

Hanai y Littlewood sospecharon que los puntos críticos y los puntos excepcionales tenían que compartir algunas propiedades importantes, incluso si surgían claramente de diferentes mecanismos. “Los puntos críticos son una especie de abstracción matemática interesante”, dijo Littlewood, “donde no se puede distinguir la diferencia entre estas dos fases. Exactamente lo mismo sucede en estos sistemas de polariton ”.

También sabían que bajo el capó matemático, un láser (técnicamente un estado de la materia) y un BEC de polaritón-excitón tenían las mismas ecuaciones subyacentes. En un papel publicado en 2019, los investigadores conectaron los puntos, proponiendo un mecanismo nuevo y, fundamentalmente, universal mediante el cual los puntos excepcionales dan lugar a transiciones de fase en sistemas dinámicos cuánticos.

“Creemos que esa fue la primera explicación para esas transiciones”, dijo Hanai.

Vitelli y Michel Fruchart, también de la Universidad de Chicago, se unieron a Littlewood y Hanai para extender su trabajo cuántico a todos los sistemas no recíprocos, utilizando el marco matemático de la teoría de la bifurcación y relajando los supuestos habituales sobre el panorama energético.Fotografía: Kristen Norman / Getty Images

Aproximadamente al mismo tiempo, dijo Hanai, se dieron cuenta de que, aunque estaban estudiando un estado cuántico de la materia, sus ecuaciones no dependían de la mecánica cuántica. ¿El fenómeno que estaban estudiando se aplicaba a fenómenos aún más grandes y generales? «Empezamos a sospechar que esta idea [connecting a phase transition to an exceptional point] también podría aplicarse a sistemas clásicos «.

Pero para perseguir esa idea, necesitarían ayuda. Se acercaron a Vitelli y Michel Fruchart, investigador postdoctoral en el laboratorio de Vitelli, que estudia simetrías inusuales en el ámbito clásico. Su trabajo se extiende a los metamateriales, que son ricos en interacciones no recíprocas; pueden, por ejemplo, mostrar diferentes reacciones al ser presionados en un lado u otro y también pueden mostrar puntos excepcionales.

Vitelli y Fruchart se sintieron intrigados de inmediato. ¿Se estaba desarrollando algún principio universal en el condensado de polaritón, alguna ley fundamental sobre sistemas donde la energía no se conserva?

Sincronizar

Ahora, un cuarteto, los investigadores comenzaron a buscar principios generales que sustentaran la conexión entre la no reciprocidad y las transiciones de fase. Para Vitelli, eso significaba pensar con las manos. Tiene la costumbre de construir sistemas físico-mecánicos para ilustrar fenómenos abstractos difíciles. En el pasado, por ejemplo, usó Legos para construir celosías que se convierten en materiales topológicos que se mueven de manera diferente en los bordes que en el interior.

“Aunque de lo que estamos hablando es teórico, puedes demostrarlo con juguetes”, dijo.



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