Utilizando átomos enfriados a solo mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton descubrió un comportamiento magnético intrigante que podría ayudar a explicar cómo funciona la superconductividad a alta temperatura.
Los investigadores descubrieron que la aplicación de un campo magnético fuerte a estos átomos ultrafríos hizo que se alinearan en un patrón alterno y se alejaran unos de otros. El comportamiento, que los investigadores llaman "antiferromagnetismo inclinado", es consistente con las predicciones de décadas.modelo antiguo utilizado para comprender cómo surge la superconductividad en ciertos materiales. Los resultados se publicaron en la revista ciencia .
"Nadie ha observado este tipo de comportamiento en este sistema antes", dijo Waseem Bakr, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton. "Utilizamos láseres para crear cristales artificiales y luego exploramos lo que está sucediendo en detalle microscópico, que es algosimplemente no se puede hacer en un material cotidiano "
El experimento, realizado en una mesa en el Jadwin Hall de Princeton, permite la exploración de un modelo que describe cómo los comportamientos cuánticos dan lugar a la superconductividad, un estado en el que la corriente puede fluir sin resistencia y que es muy apreciada por la transmisión de electricidad y la fabricación de potentes electroimanesSi bien se entiende la base de la superconductividad convencional, los investigadores aún están explorando la teoría de la superconductividad a alta temperatura en materiales a base de cobre llamados cupratos.
Debido a la complejidad de los cupratos, es difícil para los investigadores estudiarlos directamente para descubrir qué propiedades conducen a la capacidad de conducir la corriente sin resistencia. En cambio, al construir un cristal sintético usando láseres y átomos ultrafríos, los investigadores pueden preguntarpreguntas que de otro modo serían imposibles de abordar.
Bakr y su equipo enfriaron los átomos de litio a solo unas diez billonésimas de grado por encima del cero absoluto, una temperatura en la que los átomos siguen las leyes de la física cuántica. Los investigadores utilizaron láseres para crear una rejilla para atrapar los átomos ultrafríos en su lugarLa cuadrícula, conocida como red óptica, puede considerarse como una bandeja de huevos virtual creada completamente a partir de luz láser en la que los átomos pueden saltar de un pozo a otro.
El equipo utilizó la configuración para observar las interacciones entre átomos individuales, que pueden comportarse de manera análoga a los imanes pequeños debido a una propiedad cuántica llamada espín. El espín de cada átomo puede orientarse hacia arriba o hacia abajo. Si doslos átomos aterrizan en el mismo sitio, experimentan una fuerte interacción repulsiva y se extienden de modo que solo hay un átomo en cada pozo. Los átomos en los pozos vecinos de la bandeja de huevos tienden a tener sus espines alineados uno frente al otro.
Este efecto, llamado antiferromagnetismo, ocurre a temperaturas muy bajas debido a la naturaleza cuántica del sistema de frío. Cuando los dos tipos de poblaciones de espines son más o menos iguales, los espines pueden rotar en cualquier dirección mientras los espines vecinos permanezcan anti-alineados.
Cuando los investigadores aplicaron un campo magnético fuerte a los átomos, vieron algo curioso. Utilizando un microscopio de alta resolución que puede capturar imágenes de átomos individuales en los sitios de la red, el equipo de Princeton estudió el cambio en las correlaciones magnéticas de los átomos con elfuerza del campo. En presencia de un campo grande, los giros vecinos permanecieron anti-alineados pero se orientaron en un plano en ángulo recto al campo. Al observar más de cerca, los investigadores vieron que los átomos alineados opuestamente se inclinaban ligeramente en eldirección del campo de modo que los imanes todavía estuvieran opuestos pero no estuvieran alineados con precisión en el plano.
El año pasado se observaron correlaciones de giro en experimentos en Harvard, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich. Pero el estudio de Princeton es el primero en aplicar un campo fuerte a los átomos y observar el antiferromagnético inclinado.
Las observaciones fueron predichas por el modelo Fermi-Hubbard, creado para explicar cómo los cupratos podrían ser superconductores a temperaturas relativamente altas. El modelo Fermi-Hubbard fue desarrollado por Philip Anderson, profesor de física Henry Prince de Princeton, Emérito, quien ganó un NobelPremio en Física en 1977 por su trabajo en investigaciones teóricas de la estructura electrónica de sistemas magnéticos y desordenados.
"Comprender mejor el modelo de Fermi-Hubbard podría ayudar a los investigadores a diseñar materiales similares con propiedades mejoradas que puedan transportar corriente sin resistencia", dijo Bakr.
El estudio también analizó lo que sucedería si se eliminaran algunos de los átomos en la bandeja de huevos, introduciendo agujeros en la cuadrícula. Los investigadores descubrieron que cuando se aplicaba el campo magnético, la respuesta coincidía con las mediciones realizadas en cupratos ".Esto es más evidencia de que el modelo propuesto de Fermi-Hubbard es probablemente el modelo correcto para describir lo que vemos en los materiales ", dijo Bakr.
El equipo de Princeton incluyó al estudiante graduado Peter Brown, quien realizó muchos de los experimentos y es el primer autor del artículo. Contribuciones adicionales a los experimentos vinieron de Debayan Mitra y Elmer Guardado-Sánchez, ambos estudiantes graduados en física, Peter Schauss, un asociadoinvestigador académico en física y Stanimir Kondov, un ex investigador postdoctoral que ahora se encuentra en la Universidad de Columbia.
El estudio incluyó contribuciones para la comprensión de la teoría de Ehsan Khatami de la Universidad Estatal de San José, Thereza Paiva en la Universidad Federal de Río de Janeiro, Nandini Trivedi en la Universidad Estatal de Ohio y David Huse, profesor de Princeton en Cyrus Fogg Brackett deFísica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :