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Físicos observan directamente Campos de Gauge no abelianos por primera vez


Después de décadas de intentos fallidos, los físicos han observado directamente un fenómeno físico exótico llamado "Efecto Aharonov-Bohm no Abeliano". Los hallazgos podrían conducir a la realización de lo que se conoce como fases topológicas, y eventualmente a avances hacia computadoras cuánticas tolerantes a posibles fallas.

Teoría de campo de gauge
En física, una teoría de campo gauge (o teoría de gauge) es un tipo de teoría cuántica de campos que se basa en el hecho de que la interacción entre fermiones puede ser vista como el resultado de introducir transformaciones "locales" pertenecientes al grupo de simetría interna en el que se base la teoría gauge. Las teorías de gauge se discuten generalmente en el lenguaje matemático de la geometría diferencial e involucran el uso de transformaciones de gauge. Una transformación de gauge es una transformación de algún grado de libertad interno, que no modifica ninguna propiedad observable física.

Efecto Aharonov-Bohm
El efecto Aharonov-Bohm es un fenómeno cuántico en el que la presencia de un campo magnético altera la propagación de una carga eléctrica, incluso cuando esta se propaga en zonas donde dicho campo no está presente. Descrito por primera vez por Werner Ehrenberg y Raymond Siday en 1949, recibe su nombre de los físicos Yakir Aharonov y David Bohm que lo descubrieron de forma independiente en 1959.

Grupo no Abeliano
En matemáticas, y específicamente en la teoría de grupos, un grupo no abeliano, a veces llamado grupo no conmutativo, es un grupo (G, ∗) en el que existe al menos un par de elementos a y b de G, como por ejemplo a ∗ b ≠ b ∗ a. Esta clase de grupos contrasta con los grupos abelianos. (En un grupo abeliano, todos los pares de elementos del grupo conmutan).

Los grupos no abelianos son dominantes en matemáticas y física. Uno de los ejemplos más simples de un grupo no abeliano es el grupo diédrico de orden 6. Es el grupo no abeliano finito más pequeño. Un ejemplo común en la física es el grupo de rotación SO (3) en tres dimensiones (girando 90 grados a lo largo de un eje y luego 90 grados a lo largo de un eje diferente no es lo mismo que hacerlo al revés).

Computación Cuántica
Los campos de gauge, que describen las transformaciones que sufren las partículas, son cruciales para la comprensión y manipulación de los sistemas físicos.

Estos campos se dividen en dos clases: Abelianos, en la que los efectos medidos en un parámetro observable son conmutativos; y no abelianos, donde la secuencia en la que se aplica el campo es importante.

El efecto Aharonov-Bohm confirmó que los campos de gauge tienen consecuencias físicas. Pero las observaciones solo funcionaron en los sistemas abelianos.

En 1975, Tai-Tsun Wu y Chen-Ning Yang generalizaron el efecto al régimen no abeliano como un experimento mental. Sin embargo, no quedó claro si sería posible observar este efecto en un sistema no abeliano.

Los físicos carecían de formas de crear el efecto en el laboratorio, y también carecían de formas de detectar dicho efecto, incluso si pudiera producirse.

Las observaciones
Ahora, ambos acertijos se han resuelto y las observaciones se han llevado a cabo con éxito.

“Prácticamente todos los fenómenos físicos fundamentales son invariables en el tiempo. Eso significa que los detalles de la forma en que las partículas y las fuerzas interactúan pueden avanzar o retroceder en el tiempo, y una película de cómo se desarrollan los eventos se puede ejecutar en cualquier dirección, por lo que no hay forma de saber cuál es la versión real", explicó el estudiante graduado del MIT Yi Yang, el profesor Bo Zhen de la Universidad de Pensilvania y sus colegas.

"Crear la versión abeliana de los efectos Aharonov-Bohm requiere romper la simetría de inversión de tiempo, una tarea desafiante en sí misma", agregó Marin Soljacic, profesor del MIT.

"Pero lograr la versión no abeliana del efecto requiere romper esta inversión de tiempo varias veces, y de diferentes maneras, lo que lo convierte en un desafío aún mayor".

El estudio
Para producir el efecto, los físicos usaron la polarización de fotones. Luego, produjeron dos tipos diferentes de ruptura de inversión de tiempo.

Utilizaron fibra óptica para producir dos tipos de campos de gauge que afectaron las fases geométricas de las ondas ópticas, primero enviándolas a través de un cristal sesgado por potentes campos magnéticos, y segundo modulándolas con señales eléctricas que varían en el tiempo, los cuales rompen la simetría de inversión de tiempo.

Luego pudieron producir patrones de interferencia que revelaron las diferencias en la forma en que la luz se vio afectada cuando se envió a través del sistema de fibra óptica en direcciones opuestas, en sentido horario o antihorario.

Sin la ruptura de la invariancia de inversión de tiempo, los haces de luz tendrían que haber sido idénticos, pero en cambio, sus patrones de interferencia revelaron conjuntos específicos de diferencias, justo como se predijeron, demostrando los detalles del efecto elusivo.

En resumido, para confirmar la presencia de campos de gauge no abelianos, Yang y sus colegas de investigación produjeron patrones de interferencia (arriba) y un bucle de Wilson (abajo).

Conclusiones
"La versión original abeliana del efecto Aharonov-Bohm se ha observado con una serie de esfuerzos experimentales, pero el efecto no abeliano no se ha observado hasta ahora", dijo Yang.

"El hallazgo nos permite hacer muchas cosas, abriendo la puerta a una amplia variedad de experimentos potenciales, incluidos los regímenes físicos clásicos y cuánticos, para explorar las variaciones de este efecto", concluyen diciendo los investigadores.

Crédito de imagen: Yang et al

Referencia del documento científico:
Yi Yang et al. 2019. Síntesis y observación de campos gauge no abelianos en el espacio real. Science, Vol. 365, número 6457, págs. 1021-1025; doi: 10.1126 / science.aay3183

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