Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y la Universidad Stony Brook han descubierto una nueva forma de generar corriente eléctrica de muy baja resistencia en una nueva clase de materiales. El descubrimiento, que se basa en la separación de la derecha-y las partículas "zurdas", apuntan a una gama de aplicaciones potenciales en energía, computación cuántica e imágenes médicas, y posiblemente incluso un nuevo mecanismo para inducir la superconductividad: la capacidad de algunos materiales para transportar corriente sin pérdida de energía.
El material con el que trabajaron los científicos, el pentatellururo de circonio, tiene un rasgo sorprendente: cuando se coloca en campos eléctricos y magnéticos paralelos, responde con un desequilibrio en el número de partículas diestras y zurdas, un desequilibrio quiral. Ese desequilibrio.empuja las partículas con carga opuesta en direcciones opuestas para crear una poderosa corriente eléctrica.
Este "efecto magnético quiral" se había predicho teóricamente durante mucho tiempo, pero nunca se observó definitivamente en un laboratorio de ciencia de materiales en el momento en que se realizó este trabajo.
De hecho, cuando los físicos del Departamento de Ciencias de Física y Materiales de la Materia Condensada de Brookhaven CMP & MS midieron por primera vez la caída significativa de la resistencia eléctrica y el aumento dramático de la conductividad, se sorprendieron bastante ". No conocíamos esta gran magnitudera posible una 'magnetorresistencia negativa' ", dijo Qiang Li, físico y jefe del grupo de materiales avanzados de energía en el departamento y coautor en un documento que describe estos resultados que acaban de publicarse en la revista Física de la naturaleza . Pero después de asociarse con Dmitri Kharzeev, el jefe del grupo de teoría RIKEN-BNL en Brookhaven y un profesor en Stony Brook, los científicos tuvieron una explicación.
Kharzeev había explorado un comportamiento similar de partículas subatómicas en los campos magnéticos creados en colisiones en el colisionador de iones pesados relativistas del laboratorio RHIC http://www.bnl.gov/rhic/ , una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE donde los físicos nucleares exploran los componentes básicos de la materia.Sugirió que tanto en las colisiones RHIC como en el pentatellururo de circonio, la separación de cargas podría desencadenarse por un desequilibrio quiral.
Para probar la idea, compararon sus mediciones con las predicciones matemáticas de cuán poderoso debería ser el aumento de la conductividad al aumentar la intensidad del campo magnético.
"Observamos los datos y dijimos, '¡Caramba, eso es todo!' Probamos seis muestras diferentes y confirmamos que no importa cómo lo haga, estará allí siempre que el campo magnético sea paralelo a la corriente eléctrica. Eso esla pistola humeante ", dijo Li.
yendo quiral
La quiralidad para diestros o zurdos se determina por si el giro de una partícula está alineado con o en contra de su dirección de movimiento. Para que la quiralidad se establezca definitivamente, las partículas deben comportarse como si estuvieran casi sin masa y pudieran moverse comotal en las tres direcciones espaciales.
Si bien las partículas casi sin masa que fluyen libremente se encuentran comúnmente en el plasma de quark-gluon creado en RHIC, no se esperaba que esto ocurriera en la materia condensada. Sin embargo, en algunos materiales recientemente descubiertos, incluidos los "semimetales Dirac", llamados así por elfísico que escribió las ecuaciones para describir los electrones que se mueven rápidamente: versiones de "cuasipartículas" casi sin masa de electrones y "agujeros" cargados positivamente se propagan a través del cristal de esta manera libre.
Algunos aspectos de este fenómeno, a saber, la dependencia lineal de la energía de las partículas en su momento, se pueden medir y visualizar directamente utilizando la espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo ARPES.
"A primera vista, el pentatellururo de circonio ni siquiera parecía un material 3D", dijo el físico de Brookhaven Tonica Valla, quien realizó las mediciones con colaboradores en la Fuente de Luz Avanzada ALS en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y en la Luz Sincrotrón Nacional de BrookhavenFuente NSLS, http://www.bnl.gov/ps/nsls/about-NSLS.asp : dos instalaciones de usuario adicionales de la Oficina de Ciencias del DOE."Es en capas, similar al grafito, por lo que se esperaría una estructura electrónica cuasi-2D. Sin embargo, tan pronto como hicimos las primeras mediciones de ARPES, quedó claro que el material es un semimetal 3D Dirac".
Estos resultados coincidieron muy bien con los de conductividad y explicaron por qué se observó el efecto magnético quiral en este material.
En ausencia de campos magnéticos y eléctricos, el pentatellururo de circonio tiene una división uniforme de cuasipartículas para diestros y zurdos. Pero agregar campos magnéticos y eléctricos paralelos introduce una preferencia quiral: el campo magnético alinea los espines de las partículas positivas y negativasen direcciones opuestas, y el campo eléctrico comienza a moverse las partículas con carga opuesta: las partículas positivas se mueven con el campo eléctrico, las negativas contra él. Si los dos campos apuntan en la misma dirección, esto crea una preferencia por las partículas positivas y negativas quecada uno se mueve en una dirección alineada con su orientación de giro, partículas quirales diestras, pero con partículas positivas y negativas alejándose unas de otras si la orientación del campo magnético se voltea con respecto al campo eléctrico, la preferencia seríapara partículas zurdas, pero aún con cargas opuestas que se separan.
"Este desequilibrio quiral da un gran impulso a la separación de las partículas con carga opuesta, que pueden conectarse a través de un circuito externo", dijo Kharzeev. Y una vez que se establece el estado quiral es difícil de alterar ", por lo que es muy poca energíaperdido en esta corriente quiral "
aplicaciones potenciales
La conductividad dramática y la baja resistencia eléctrica de los semimetales Dirac pueden ser clave para aplicaciones potenciales, incluidos los "generadores de electricidad cuántica" y la computación cuántica, dijo Li.
"En un generador clásico, la corriente aumenta linealmente con el aumento de la intensidad del campo magnético, que debe cambiar dinámicamente. En estos materiales, la corriente aumenta mucho más dramáticamente en un campo magnético estático. Podría sacar la corriente del 'mar'de cuasipartículas disponibles continuamente. Es un comportamiento cuántico puro ", dijo Li.
La separación de los dos estados quirales también podría dar una nueva forma de codificar información, análoga a los ceros y a los de la informática. Y dado que el estado quiral es muy estable en comparación con otros estados eléctricos, es mucho menos propenso a la interferencia de influencias externas, incluidos los defectos en el material. Por lo tanto, podría ser un material más confiable para la computación cuántica, dijo Li.
Kharzeev tiene algunas otras ideas: "La resistencia de este material disminuye a medida que aumenta la intensidad del campo magnético, lo que podría abrir una ruta completamente diferente para lograr algo como la superconductividad: resistencia cero", dijo. En este momento, los materiales se muestran enal menos alguna reducción en la resistencia a temperaturas tan altas como 100 Kelvin, en el ámbito de los mejores superconductores de alta temperatura, pero hay muchos tipos diferentes de semimetales Dirac con los que experimentar para explorar la posibilidad de temperaturas más altas o incluso efectos más dramáticos.Tales materiales de baja resistencia podrían ayudar a superar un límite importante en la velocidad de los microprocesadores al reducir la disipación de corriente, agregó Kharzeev.
"En el pentatellururo de circonio y otros materiales que desde entonces se ha descubierto que tienen el efecto magnético quiral, se requiere un campo magnético externo para comenzar a reducir la resistividad", dijo Valla. "Sin embargo, prevemos que en algunos materiales magnéticos, la corriente eléctricapodría fluir con poca o ninguna resistencia en una dirección paralela al campo magnético interno del material. Eso eliminaría la necesidad de campos magnéticos externos y ofrecería otra vía para el transporte sin disipación de corriente eléctrica ".
Kharzeev y Li también están interesados en explorar propiedades ópticas inusuales en materiales quirales. "Estos materiales poseen excitaciones colectivas en el rango de frecuencia de terahercios, lo que podría ser importante para las comunicaciones inalámbricas y también en las técnicas de imagen que podrían mejorar el diagnóstico de cáncer".Kharzeev dijo.
Volviendo a sus raíces de física nuclear, Kharzeev agregó: "La existencia de cuasipartículas sin masa que interactúan fuertemente hace que este material sea bastante similar al plasma quark-gluón creado en colisiones en RHIC, donde los quarks casi sin masa interactúan fuertemente a través del intercambio de gluones. Así que esto convierte a los semimetales de Dirac en una arena interesante para probar algunas de las ideas propuestas en física nuclear ".
"Esta investigación ilustra una conexión profunda entre dos campos aparentemente no relacionados, y requirió contribuciones de un equipo interdisciplinario de materia condensada y físicos nucleares", dijo James Misewich, Director de Laboratorio Asociado de Ciencias de la Energía en Brookhaven Lab y profesor de física enStony Brook University, que desempeñó el papel central de presentar a los miembros de este equipo de investigación entre ellos. "Somos afortunados de tener científicos con experiencia en estos campos aquí en Brookhaven y la cercana Universidad de Stony Brook, y el tipo de espíritu de colaboración parahacer que tal proyecto se haga realidad ", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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