Las partículas cuánticas pueden ser difíciles de caracterizar y casi imposibles de controlar si interactúan fuertemente entre sí, hasta ahora.
Un equipo internacional de investigadores dirigido por el físico de Princeton, Zahid Hasan, descubrió un estado cuántico de la materia que se puede "ajustar" a voluntad, y es 10 veces más sintonizable de lo que las teorías existentes pueden explicar. Este nivel de manipulabilidad abre enormes posibilidades parananotecnologías de última generación y computación cuántica.
"Encontramos una nueva perilla de control para el mundo topológico cuántico", dijo Hasan, profesor de física de Eugene Higgins. "Esperamos que esto sea la punta del iceberg. Habrá un nuevo subcampo de materiales o física surgido de este... Este sería un patio fantástico para la ingeniería a nanoescala "
Hasan y sus colegas, cuya investigación aparece en la edición actual de Nature, llaman a su descubrimiento un estado cuántico "novedoso" de la materia porque no se explica por las teorías existentes de las propiedades materiales.
El interés de Hasan en operar más allá de los límites de la física conocida es lo que atrajo a Jiaxin Yin, un asociado de investigación postdoctoral y uno de los tres primeros coautores del artículo, a su laboratorio. Otros investigadores lo alentaron a abordar uno de los definidospreguntas en física moderna, dijo Yin.
"Pero cuando hablé con el profesor Hasan, me dijo algo muy interesante", dijo Yin. "Está buscando nuevas fases de la materia. La pregunta no está definida. Lo que debemos hacer es buscar la pregunta en lugar de la respuesta"
Las fases clásicas de la materia - sólidos, líquidos y gases - surgen de las interacciones entre átomos o moléculas. En una fase cuántica de la materia, las interacciones tienen lugar entre electrones y son mucho más complejas.
"Esto podría ser evidencia de una nueva fase cuántica de la materia, y eso es, para mí, emocionante", dijo David Hsieh, profesor de física en el Instituto de Tecnología de California y graduado de Ph.D. en 2009 en Princeton, que no participó en esta investigación ". Han dado algunas pistas de que algo interesante puede estar sucediendo, pero se necesita hacer mucho trabajo de seguimiento, sin mencionar un respaldo teórico para ver qué es lo que realmente está causandolo que están viendo "
Hasan ha estado trabajando en el innovador subcampo de materiales topológicos, un área de física de materia condensada, donde su equipo descubrió los imanes cuánticos topológicos hace unos años. En la investigación actual, él y sus colegas "encontraron un extraño efecto cuántico en elnuevo tipo de imán topológico que podemos controlar a nivel cuántico ", dijo Hasan.
La clave no era mirar las partículas individuales sino las formas en que interactúan entre sí en presencia de un campo magnético. Algunas partículas cuánticas, como los humanos, actúan de manera diferente solo que en una comunidad, dijo Hasan. "Puedes estudiar todolos detalles de los fundamentos de las partículas, pero no hay forma de predecir la cultura, el arte o la sociedad que surgirán cuando los juntes y comiencen a interactuar fuertemente entre sí ", dijo.
Para estudiar esta "cultura" cuántica, él y sus colegas colocaron átomos en la superficie de los cristales en muchos patrones diferentes y observaron lo que sucedió. Usaron varios materiales preparados por grupos colaboradores en China, Taiwán y Princeton. Un arreglo particular, unLa forma de panal de seis pliegues llamada "celosía kagome" por su parecido con un patrón de tejido de cestas japonés, dio lugar a algo sorprendente, pero solo cuando se examinó bajo un espectromicroscopio en presencia de un campo magnético fuerte, equipo encontrado en el Laboratorio de Hasan paraMateria cuántica topológica y espectroscopía avanzada, ubicada en el sótano del Jadwin Hall de Princeton.
Todas las teorías conocidas de la física predijeron que los electrones se adherirían al patrón subyacente de seis veces, pero en cambio, los electrones que se ciernen sobre sus átomos decidieron marchar hacia su propio baterista, en línea recta, con doble simetría.
"Los electrones decidieron reorientarse", dijo Hasan. "Ignoraron la simetría de la red. Decidieron que saltar de un lado a otro, en una línea, es más fácil que de lado. Así que esta es la nueva frontera .... Los electrones pueden ignorar la red y formar su propia sociedad ".
Este es un efecto muy raro, señaló Hsieh de Caltech. "Puedo contar con una mano" la cantidad de materiales cuánticos que muestran este comportamiento, dijo.
Los investigadores se sorprendieron al descubrir esta doble disposición, dijo Songtian Sonia Zhang, una estudiante graduada en el laboratorio de Hasan y otra coautora del artículo. "Esperábamos encontrar algo seis veces mayor, como en otrasdijo que los materiales topológicos, pero encontramos algo completamente inesperado ". Seguimos investigando, ¿por qué está sucediendo esto? Y encontramos cosas más inesperadas. Es interesante porque los teóricos no lo predijeron en absoluto.algo nuevo."
El desacoplamiento entre los electrones y la disposición de los átomos fue bastante sorprendente, pero luego los investigadores aplicaron un campo magnético y descubrieron que podían girar esa línea en cualquier dirección que eligieran. Sin mover la red cristalina, Zhang podía girar la líneade electrones simplemente controlando el campo magnético que los rodea.
"Sonia notó que cuando aplicas el campo magnético, puedes reorientar su cultura", dijo Hasan. "Con los seres humanos, no puedes cambiar su cultura tan fácilmente, pero aquí parece que ella puede controlar cómo reorientar los electrones"cultura de muchos cuerpos "
Los investigadores aún no pueden explicar por qué.
"Es raro que un campo magnético tenga un efecto tan dramático en las propiedades electrónicas de un material", dijo Subir Sachdev, profesor de física de Herchel Smith en la Universidad de Harvard y presidente del departamento de física, que no participó en este estudio.
Aún más sorprendente que este desacoplamiento, llamado anisotropía, es la escala del efecto, que es 100 veces más de lo que predice la teoría. Los físicos caracterizan el magnetismo a nivel cuántico con un término llamado "factor g", que no tieneunidades. El factor g de un electrón en el vacío se ha calculado con precisión como un poco más de dos, pero en este nuevo material, los investigadores encontraron un factor g efectivo de 210, cuando los electrones interactúan fuertemente entre sí.
"Nadie predijo eso en materiales topológicos", dijo Hasan.
"Hay muchas cosas que podemos calcular en función de la teoría existente de los materiales cuánticos, pero este documento es emocionante porque muestra un efecto que no se conocía", dijo. Esto tiene implicaciones para la investigación en nanotecnología, especialmente en el desarrollo de sensores.La escala de la tecnología cuántica, los esfuerzos para combinar la topología, el magnetismo y la superconductividad se han visto obstaculizados por los factores g de baja eficacia de los pequeños materiales.
"El hecho de que hayamos encontrado un material con un factor g efectivo tan grande, lo que significa que un campo magnético modesto puede traer un efecto significativo en el sistema, esto es altamente deseable", dijo Hasan. "Este efecto cuántico gigantesco y sintonizableabre las posibilidades para nuevos tipos de tecnologías cuánticas y nanotecnologías ".
El descubrimiento se realizó utilizando un instrumento de dos pisos y componentes múltiples conocido como un espectromicroscopio de túnel de exploración, que funciona en conjunto con una capacidad de campo magnético de vector giratorio, en el subsótano de Jadwin Hall. El espectromicroscopio tiene una resolución inferior ala mitad del tamaño de un átomo, lo que le permite escanear átomos individuales y detectar detalles de sus electrones mientras mide la energía de los electrones y la distribución del espín. El instrumento se enfría hasta casi el cero absoluto y se desacopla del suelo y el techo para evitar incluso átomos.vibraciones de tamaño.
"Estamos bajando a 0.4 Kelvin. Es más frío que el espacio intergaláctico, que es 2.7 Kelvin", dijo Hasan. "Y no solo eso, el tubo donde está la muestra, dentro de ese tubo creamos una condición de vacío que esmás de un billón de veces más delgado que la atmósfera superior de la Tierra. Se necesitaron alrededor de cinco años para lograr estas condiciones de operación finamente ajustadas del instrumento de componentes múltiples necesarios para el experimento actual ", dijo.
"Todos nosotros, cuando hacemos física, buscamos encontrar cómo funcionan exactamente las cosas", dijo Zhang. "Este descubrimiento nos da más información sobre eso porque es muy inesperado".
Al encontrar un nuevo tipo de organización cuántica, Zhang y sus colegas están haciendo "una contribución directa para avanzar en la frontera del conocimiento, y en este caso, sin ninguna predicción teórica", dijo Hasan. "Nuestros experimentos están avanzando en la frontera del conocimiento"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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