Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China ha logrado la primera observación experimental de un nuevo tipo de puntos excepcionales, conocidos como puntos excepcionales de Dirac. Este avance, publicado en la revista Physical Review Letters, abre nuevas posibilidades en el estudio de la dinámica no hermítica y el control de sistemas cuánticos.
Los puntos excepcionales (EPs) son degeneraciones únicas de niveles de energía que se producen en sistemas no hermíticos. Aunque su existencia fue propuesta hace más de un siglo, hasta la fecha solo se habían observado experimentalmente dos tipos de EPs, ambos asociados a fases exóticas de la materia en diversos materiales, como los semimetales de Dirac y Weyl.
Observación de los Puntos Excepcionales de Dirac
El grupo de investigadores, liderado por Xing Rong, se propuso observar experimentalmente esta nueva clase de EPs, que combina conceptos físicos de sistemas hermíticos y no hermíticos. Para ello, construyeron un sistema no hermítico utilizando defectos de nitrógeno-vacante en diamante, que son sistemas cuánticos a escala atómica dentro de un material sólido.
Rong explica que «ingeniamos un Hamiltoniano no hermítico que alberga puntos excepcionales de Dirac al introducir un término de operador de spin al cuadrado en un sistema no hermítico de tres niveles». La confirmación de la existencia de los puntos excepcionales de Dirac se logró mediante la observación de valores propios reales cerca de estos puntos y de degeneración de estados propios en el EP mismo.
Este hallazgo tiene implicaciones significativas para el campo de la física cuántica, ya que los puntos excepcionales de Dirac presentan un espectro de valores propios real, desafiando la comprensión convencional de que los EPs típicos conllevan valores propios complejos. Esta característica permite una evolución adiabática en sistemas no hermíticos, superando efectos disipativos y ofreciendo un potencial considerable para aplicaciones en física topológica relacionada con los EPs y protocolos de control cuántico.
Los investigadores esperan que sus observaciones inspiren nuevos trabajos experimentales en el ámbito de la física no hermítica y cuántica. La observación exitosa de los puntos excepcionales de Dirac podría proporcionar a físicos y ingenieros cuánticos una vía prometedora para lograr un mayor control sobre tecnologías cuánticas avanzadas, incluyendo sensores y ordenadores cuánticos.
Rong concluye que «a través de los puntos excepcionales de Dirac, se pueden evitar transiciones no adiabáticas asociadas a EPs típicos, lo que permitirá la investigación experimental de fases geométricas complejas en sistemas no hermíticos». Este avance marca un hito en el estudio de la física cuántica y su aplicación en tecnologías del futuro.
Más información:
Yang Wu et al, Experimental Observation of Dirac Exceptional Points, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.153601. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2503.08436
