Un material ultrapuro llevado a presiones mayores que las de las profundidades del océano y enfriado a temperaturas más frías que el espacio exterior ha revelado una transición de fase inesperada que cruza dos categorías de fase diferentes.
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Purdue observó la transición de electrones de una fase ordenada topológicamente a una fase de simetría rota.
"Hasta donde sabemos, una transición a través de los dos grupos de fases no se había demostrado inequívocamente antes, y las teorías existentes no pueden describirla", dijo Gábor Csáthy, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía de Purdue que dirigió la investigación ".Es algo así como cambiar el agua de líquido a hielo; excepto que las dos fases que vimos fueron muy diferentes entre sí ".
Se publicará un documento que detalla los resultados de la investigación financiada por el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias en un próximo número de Física de la naturaleza y actualmente está disponible en línea.
Una fase es una determinada organización de la materia. La mayoría de las personas conocen las fases de hielo, líquido y gas, y algunas están familiarizadas con las diferentes fases magnéticas que almacenan datos en nuestros dispositivos electrónicos y las fases cristalinas líquidas que se utilizan para crear una imagenen ciertas pantallas electrónicas, pero hay muchas otras fases, dijo Csáthy.
En 1937, el físico Lev Landau estableció un marco teórico que explicaba y clasificaba todas las fases conocidas, pero a fines de la década de 1980 se dio cuenta de que existía un segundo grupo de fases que ocurren a temperaturas muy bajas que no encajan en la teoría de LandauLas nuevas fases se denominaron fases topológicas, mientras que las fases tradicionales descritas por la teoría de Landau se llaman fases de simetría rota, dijo Eduardo Fradkin, profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y director del Instituto de Teoría de la Materia Condensada enla Universidad de Illinois que participó en la investigación y es coautora del artículo.
Las fases topológicas han sido un área de enfoque en el campo de la física de la materia condensada debido a sus propiedades especiales y posibles aplicaciones tecnológicas, incluida la computación cuántica.
Csáthy se especializa en el estudio de fases topológicas en semiconductores y trabaja para descubrir y caracterizar fases topológicas raras. Su equipo emplea nuevas técnicas de investigación para el estudio de electrones que fluyen libremente en cristales semiconductores de arseniuro de galio ultrapuros, que es una red perfectamente alineada deátomos de galio y arsénico que pueden capturar electrones en un plano bidimensional.
Solo unos pocos grupos en el mundo pueden cultivar el material, y los cristales ultrapuros utilizados en esta investigación fueron cultivados por un grupo dirigido por Michael Manfra, profesor de física y astronomía en Purdue. Manfra también es profesor de ambos materialesingeniería e ingeniería eléctrica e informática.
Los cristales de arseniuro de galio cultivados usando la técnica de epitaxia de haz molecular sirven como plataforma modelo para explorar las muchas fases que surgen entre electrones que interactúan fuertemente, dijo Manfra, quien también participó en la investigación y es coautor del artículo.
"Nuestro arseniuro de galio es único entre los semiconductores y otros materiales novedosos debido a su nivel extremadamente bajo de desorden", dijo. "Los extremos requeridos para esta ciencia - pureza extrema, temperaturas extremas - no se logran fácilmente, peroVale la pena el esfuerzo para descubrir nuevos fenómenos que involucren a todo el mar de electrones que actúan en concierto. Esta es la mayor patada para científicos como nosotros y por qué tratamos de llevar nuestras técnicas experimentales al límite absoluto ".
Se demostró que el material cultivado por el grupo Manfra tiene una medida de movilidad de electrones de 35 millones de centímetros cuadrados por voltio-segundo, una medida que lo ubica entre los niveles más altos de pureza logrados por cualquier grupo en el mundo.
"En la mayoría de los materiales, los electrones están muy restringidos en lo que pueden hacer porque se topan con defectos de nivel atómico que los perturban, los dispersan y destruyen fases frágiles y estados correlacionados", dijo Csáthy. "El material cultivado por el grupo Manfra estan puro y libre de defectos que les da a los electrones la libertad de entrar en más de 100 fases diferentes, lo cual es sorprendente. Algunas de estas fases simplemente no podrían existir en otros materiales ".
El equipo de Csáthy usó equipos y técnicas únicas para llevar la electricidad a una temperatura de 0.012 Kelvin, que está cerca del cero absoluto y está aproximadamente a 460 grados bajo cero Fahrenheit, y una presión de hasta 10,000 atmósferas, que es 10 veces la presiónse sentiría en la parte más profunda del océano, la Fosa de las Marianas.
La temperatura extremadamente baja alienta a los electrones a entrar en estados exóticos donde ya no obedecen las leyes de la física de una sola partícula, sino que se rigen por sus interacciones mutuas. Entonces es posible un movimiento colectivo de los electrones que está descrito por las leyesde la mecánica cuántica, en lugar de las leyes de la mecánica clásica, dijo.
El equipo de investigación de Csáthy se estaba centrando en el estado cuántico fraccional de Hall en el número cuántico 5/2, que se cree que es una fase topológica no abeliana. Los estados no abelianos son diferentes de cualquier cosa conocida en la naturaleza, dijo.
"Imagine los huevos en un cartón de huevos como electrones dispuestos en una determinada formación", dijo. "Los huevos son idénticos al igual que los electrones son partículas idénticas. Si intercambia un huevo con otro, nada ha cambiado. Todavía es un cambio".grupo de huevos en la misma formación. Si alguien no viera el intercambio, él o ella nunca sabría que sucedió. En estados no abelianos, si intercambia dos electrones, se produce un cambio en todo el grupo y el cartón de huevos.entra en un estado completamente diferente. Esta capacidad de un intercambio para afectar el estado de todo el grupo es una propiedad muy especial ".
El equipo estaba tratando de inducir una transición de giro de electrones en este estado no abeliano, pero antes de que se alcanzara el estado deseado, los electrones pasaron espontáneamente a la llamada fase de "franja" que pertenece al grupo de fases de simetría tradicional roto.
"Cuando comenzamos el experimento estábamos tratando de lograr algo más, pero las rayas seguían apareciendo y perderíamos la fase cuántica fraccional de Hall que estábamos investigando", dijo Csáthy. "Nos sorprendió mucho porque se pensaba que estosdos categorías diferentes de fases estaban muy separadas y tal transición era imposible, pero los electrones pasaron de lo profundo en la fase topológica a lo profundo en la fase de simetría rota ".
El equipo luego cambió el curso del experimento para ir paso a paso a través de la nueva transición.
Rui-Rui Du, un experto en experimentos cuánticos fraccionales de Hall que ha estado en el campo durante más de 20 años, dijo que el experimento presenta algo conceptualmente nuevo en el cambio de una fase topológica a una no topológica y también proporciona una nuevaenfoque para comprender mejor estas fases.
"A través de un método experimental inteligente, es decir, aplicando presión, el trabajo demuestra que dicha transición de fase topológica puede ajustarse con un nuevo botón experimental", dijo Du, profesor de física y astronomía en la Universidad de Rice yno participó en la investigación ". Es bien sabido que el estado Hall cuántico fraccional 5/2 puede albergar las llamadas cuasipartículas no abelianas, que se consideran útiles para las computadoras cuánticas topológicas. Este trabajo ofrece un nuevo método para explorar más a fondola naturaleza del estado 5/2. Presenta algunos de los trabajos más interesantes en el campo durante mucho tiempo ".
El equipo luego planea caracterizar la nueva transición de fase y establecer sus parámetros para que los datos puedan compararse con las teorías en desarrollo, dijo Csáthy.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Purdue . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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