Cuando una bailarina hace piruetas, girando una revolución completa, se ve igual que cuando empezó. Pero para los electrones y otras partículas subatómicas, que siguen las reglas de la teoría cuántica, no es necesariamente así. Cuando un electrón se mueve alrededor de uncamino, termina donde comenzó, su estado físico puede o no ser el mismo que cuando se fue.
Ahora, hay una manera de controlar el resultado, gracias a un grupo de investigación internacional dirigido por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST. El equipo ha desarrollado el primer interruptor que enciende y apaga este misterioso comportamiento cuánticoEl descubrimiento promete proporcionar una nueva comprensión de los fundamentos de la teoría cuántica y puede conducir a nuevos dispositivos electrónicos cuánticos.
Para estudiar esta propiedad cuántica, el físico del NIST y su colega Joseph A. Stroscio y sus colegas estudiaron electrones acorralados en órbitas especiales dentro de una región de grafeno del tamaño de un nanómetro, una capa única ultrafuerte de átomos de carbono muy compactos. La órbita de electrones acorraladosel centro de la muestra de grafeno al igual que los electrones orbitan el centro de un átomo. Los electrones en órbita normalmente conservan las mismas propiedades físicas exactas después de recorrer un circuito completo en el grafeno. Pero cuando un campo magnético aplicado alcanza un valor crítico, actúa como uninterruptor, alterando la forma de las órbitas y haciendo que los electrones posean diferentes propiedades físicas después de completar un circuito completo.
Los investigadores informan sus hallazgos en la edición del 26 de mayo de 2017 de ciencia .
El interruptor cuántico desarrollado recientemente se basa en una propiedad geométrica llamada fase Berry, que lleva el nombre del físico inglés Sir Michael Berry, quien desarrolló la teoría de este fenómeno cuántico en 1983. La fase Berry está asociada con la función de onda de una partícula, que enLa teoría cuántica describe el estado físico de una partícula. La función de onda, piense en una ola del océano, tiene una amplitud la altura de la ola y una fase: la ubicación de un pico o valle en relación con el inicio de la ola.ciclo.
Cuando un electrón hace un circuito completo alrededor de un circuito cerrado para que regrese a su ubicación inicial, la fase de su función de onda puede cambiar en lugar de regresar a su valor original. Este cambio de fase, la fase Berry, es una especie dememoria del viaje de un sistema cuántico y no depende del tiempo, solo de la geometría del sistema, la forma del camino. Además, el cambio tiene consecuencias observables en una amplia gama de sistemas cuánticos.
Aunque la fase Berry es un fenómeno puramente cuántico, tiene un análogo en los sistemas no cuánticos. Considere el movimiento de un péndulo de Foucault, que se utilizó para demostrar la rotación de la Tierra en el siglo XIX. El péndulo suspendido simplemente se balancea hacia adelante y hacia atrásen el mismo plano vertical, pero parece girar lentamente durante cada oscilación, una especie de cambio de fase, debido a la rotación de la Tierra debajo de él.
Desde mediados de la década de 1980, los experimentos han demostrado que varios tipos de sistemas cuánticos tienen una fase Berry asociada. Pero hasta el estudio actual, nadie había construido un interruptor que pudiera activar y desactivar la fase Berry a voluntad.El interruptor desarrollado por el equipo, controlado por un pequeño cambio en un campo magnético aplicado, le da a los electrones un aumento repentino y grande de energía.
Varios miembros del equipo de investigación actual, con sede en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Harvard, desarrollaron la teoría para el cambio de fase de Berry.
Para estudiar la fase Berry y crear el interruptor, el miembro del equipo del NIST, Fereshte Ghahari, construyó un dispositivo de grafeno de alta calidad para estudiar los niveles de energía y la fase Berry de los electrones acorralados dentro del grafeno.
Primero, el equipo confinó los electrones para ocupar ciertas órbitas y niveles de energía. Para mantener los electrones encerrados, el miembro del equipo Daniel Walkup creó una versión cuántica de una cerca eléctrica utilizando impurezas ionizadas en la capa aislante debajo del grafeno. Esto permitióun microscopio de barrido de túnel en las instalaciones para usuarios de nanotecnología del NIST, el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala, para sondear los niveles de energía cuántica y la fase Berry de los electrones confinados.
Luego, el equipo aplicó un campo magnético débil dirigido a la hoja de grafeno. Para los electrones que se movían en el sentido de las agujas del reloj, el campo magnético creaba órbitas más estrechas y compactas. Pero para los electrones que se movían en órbitas en sentido contrario a las agujas del reloj, el campo magnético tenía el efecto opuesto,tirando de los electrones a órbitas más amplias. A una intensidad de campo magnético crítica, el campo actuaba como un interruptor de fase de Berry. Torcía las órbitas de los electrones en sentido antihorario, haciendo que las partículas cargadas ejecutaran piruetas en sentido horario cerca del límite de la cerca eléctrica.
Normalmente, estas piruetas tendrían pocas consecuencias. Sin embargo, dice el miembro del equipo Christopher Gutiérrez, "los electrones en el grafeno poseen una fase especial de Berry, que se activa cuando se activan estas piruetas inducidas magnéticamente".
Cuando se activa la fase Berry, los electrones en órbita saltan abruptamente a un nivel de energía más alto. El interruptor cuántico proporciona una rica caja de herramientas científicas que ayudará a los científicos a explotar ideas para nuevos dispositivos cuánticos, que no tienen análogos en los sistemas semiconductores convencionales, diceStroscio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :