¿Qué tipos de 'partículas' están permitidas por la naturaleza? La respuesta se encuentra en la teoría de la mecánica cuántica, que describe el mundo microscópico.
En un intento por ampliar los límites de nuestra comprensión del mundo cuántico, los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara han desarrollado un dispositivo que podría demostrar la existencia de anyons no abelianos, una partícula cuántica que se ha predicho matemáticamente que existe en dos dimensionesespacio, pero hasta ahora no se muestra de manera concluyente. La existencia de estas partículas allanaría el camino hacia grandes avances en la computación cuántica topológica.
En un estudio que aparece en la revista Naturaleza , el físico Andrea Young, su estudiante graduada Sasha Zibrov y sus colegas han dado un salto hacia la búsqueda de evidencia concluyente para los noones abelianos. Usando grafeno, un material atómicamente delgado derivado del grafito una forma de carbono, desarrollaron undispositivo de bajo defecto y altamente sintonizable en el que los anyons no abelianos deberían ser mucho más accesibles. Primero, un poco de historia: en nuestro universo tridimensional, las partículas elementales pueden ser fermiones o bosones: piense en electrones fermiones o en Higgs un bosón.
"La diferencia entre estos dos tipos de 'estadísticas cuánticas' es fundamental para el comportamiento de la materia", dijo Young. Por ejemplo, los fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, lo que nos permite empujar electrones en semiconductores y evitar que las estrellas de neutrones colapsenLos bosones pueden ocupar el mismo estado, lo que lleva a fenómenos espectaculares como la condensación y la superconductividad de Bose-Einstein, explicó. Combina algunos fermiones, como los protones, los neutrones y los electrones que forman los átomos, y puedes obtener cualquier tipo, peronunca evadas la dicotomía.
Sin embargo, en un universo bidimensional, las leyes de la física permiten una tercera posibilidad. Conocido como "cualquiera", este tipo de partícula cuántica no es un bosón ni un fermión, sino algo completamente diferente, y algunos tiposde anyons, conocidos como anyons no abelianos, conservan una memoria de sus estados pasados, codifican información cuántica a través de largas distancias y forman los bloques de construcción teóricos para las computadoras cuánticas topológicas.
Aunque no vivimos en un universo bidimensional, cuando están confinados a una lámina muy delgada o losa de material, los electrones sí lo hacen. En este caso, cualquiera puede emerger como "cuasipartícula" de estados correlacionados de muchos electrones.El sistema, digamos con un potencial eléctrico, conduce a que todo el sistema se reorganice como si alguien se hubiera movido.
La búsqueda de los anyons no abelianos comienza por identificar los estados colectivos que los albergan. "En los estados Hall cuánticos fraccionarios, un tipo de estado electrónico colectivo observado solo en muestras bidimensionales en campos magnéticos muy altos, se conocen las cuasipartículastener precisamente una fracción racional de la carga de electrones, lo que implica que son anyons ", dijo Young.
"Matemáticamente, las estadísticas no abelianas están permitidas e incluso predichas para algunos estados Hall cuánticos fraccionarios", continuó. Sin embargo, los científicos en este campo han estado limitados por la fragilidad de los estados anfitriones en el material semiconductor donde estántípicamente estudiado. En estas estructuras, los estados colectivos aparecen solo a temperaturas excepcionalmente bajas, lo que hace doblemente difícil explorar las propiedades cuánticas únicas de los anyons individuales.
Graphene demuestra ser un material ideal para construir dispositivos para buscar los esquivos esquivos. Pero, mientras los científicos habían estado construyendo dispositivos a base de grafeno, otros materiales que rodean la lámina de grafeno, como sustratos de vidrio y puertas metálicas, introdujeron suficienteZibrov explicó que el trastorno para destruir cualquier firma de estados no abelianos. El grafeno está bien, el problema es el medio ambiente, dijo.
¿La solución? Más material atómicamente delgado.
"Finalmente hemos llegado a un punto en el que todo en el dispositivo está hecho de cristales individuales bidimensionales", dijo Young. "Así que no solo el grafeno en sí, sino los dieléctricos son cristales individuales de nitruro de boro hexagonal que son planosy perfecto y las puertas son cristales individuales de grafito que son planos y perfectos ". Al alinear y apilar estos cristales planos y perfectos de material uno encima del otro, el equipo logró no solo un sistema de muy bajo desorden, sino uno que estambién extremadamente sintonizable.
"Además de realizar estos estados, podemos ajustar los parámetros microscópicos de una manera muy bien controlada y comprender qué hace que estos estados sean estables y qué los desestabiliza", dijo Young. El fino grado de control experimental y la eliminación de muchas incógnitaspermitió al equipo modelar teóricamente el sistema con alta precisión, generando confianza en sus conclusiones.
El avance de los materiales le da a estas frágiles excitaciones una cierta cantidad de robustez, con las temperaturas requeridas casi diez veces más altas que las necesarias en otros sistemas de materiales. Llevar estadísticas no abelianas a un rango de temperatura más conveniente demuestra una oportunidad no solo para investigaciones defísica fundamental, pero reaviva la esperanza de desarrollar un bit cuántico topológico, que podría formar la base para un nuevo tipo de computadora cuántica. Los anyons no abelianos son especiales porque se cree que son capaces de procesar y almacenar información cuántica independientemente de muchos entornosefectos, un desafío importante en la realización de computadoras cuánticas con medios tradicionales.
Pero, dicen los físicos, lo primero es lo primero. Medir directamente las propiedades cuánticas de las cuasipartículas emergentes es muy difícil, explicó Zibrov. Si bien algunas propiedades, como la carga fraccional, se han demostrado definitivamente, la prueba definitiva de la no abelialas estadísticas, mucho menos aprovechando los anyons no-belios para la computación cuántica, han permanecido fuera del alcance de los experimentos. "Realmente no sabemos todavía experimentalmente si existen los anyons no abelianos", dijo Zibrov.
"Nuestros experimentos hasta ahora son consistentes con la teoría, que nos dice que algunos de los estados que observamos deben ser no abelianos, pero aún no tenemos una pistola de fumar experimental".
"Nos gustaría un experimento que realmente demuestre un fenómeno exclusivo de las estadísticas no abelianas", dijo Young, quien ha ganado numerosos premios por su trabajo, incluido el Premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias ". Ahora que tenemos un material queentendemos muy bien, hay muchas maneras de hacer esto, ¡veremos si la naturaleza coopera! "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Sonia Fernández. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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