Etiquetas

, , ,

Artículo publicado por Sarah Collins el 4 de abril de 2016 en la Universidad de Cambridge

Los investigadores han observado la “huella” de un misterioso y nuevo estado cuántico de la materia, en el cual los electrones se rompen, en un material bidimensional.

Un equipo internacional de investigadores ha encontrado pruebas de un misterioso y nuevo estado de la materia, predicho por primera vez hace 40 años, en un material real. Este estado, conocido como líquido cuántico de espín, provoca que los electrones – que se piensa que son bloques básicos indivisibles de la naturaleza – se rompan en pedazos.

majorana-fermion-device-jpg_152002

Concepto de dispositivo que usa fermiones de Majorana Crédito: Harlan Evans

Los investigadores, que incluyen a físicos de la Universidad de Cambridge, midieron las primeras señales de estas partículas fraccionadas, conocidas como fermiones de Majorana, en un material bidimensional con una estructura similar a la del grafeno. Sus resultados experimentales encajan con uno de los principales modelos teóricos para un líquido cuántico de espín, conocido como modelo de Kitaev. Se informa de los resultados en la revista Nature Materials.

Los líquidos cuánticos de espín son misteriosos estados de la materia que se cree que se ocultan en ciertos materiales magnéticos, pero que no se habían observado de modo concluyente en la naturaleza.

La observación de una de las propiedades más intrigantes — el fraccionamiento, o división, de los electrones — en materiales reales es un avance. Los fermiones de Majorana resultantes pueden usarse como bloques básicos para los computadores cuánticos, que podrían ser más rápidos que los computadores convencionales, y podrían realizar cálculos que de otro modo serían imposibles de llevar a cabo.

“Éste es un nuevo estado cuántico de la materia, que ha sido predicho, pero no observado, anteriormente”, señala el Dr. Johannes Knolle del Laboratorio Cavendish de Cambridge, uno de los coautores del artículo.

En un material magnético común, los electrones se comportan como minúsculos imanes. Y cuando un material se enfría hasta una temperatura lo suficientemente baja, los ‘imanes’ se ordenarán, de modo que los polos norte magnéticos apunten en la misma dirección, por ejemplo.

Pero en un material que contiene un estado de líquido de espín, incluso si el material se enfría hasta el cero absoluto, los imanes no se alinearían, sino que formarían una sopa entrelazada que provocaría fluctuaciones cuánticas.

“Hasta hace poco ni siquiera sabíamos qué aspecto tendrían las huellas experimentales de un líquido cuántico de espín”, comenta el coautor del artículo, el Dr. Dmitry Kovrizhin, también del grupo de Teoría de Materia Condensada del Laboratorio Cavendish. “Algo que habíamos hecho en anteriores trabajos es preguntarnos: si realizamos experimentos sobre un posible líquido cuántico de espín, ¿qué observaríamos?”.

Los coautores Knolle Kovrizhin, dirigidos por el Dr. Arnab Banerjee y el Dr. Stephen Nagler del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en los Estados Unidos, usaron técnicas de dispersión de neutrones para buscar pruebas experimentales de fraccionalización en el cloruro de alfa-rutenio (α-RuCl3). Los investigadores pusieron a prueba las propiedades magnéticas del polvo α-RuCl3 iluminándolo con neutrones, y observando el patrón de ondas que los neutrones producían en una pantalla cuando se dispersaban a partir de la muestra.

Un imán normal crearía unas lineas definidas muy distintivas, pero era un misterio qué tipo de patrón crearían los fermiones de Majorana en un líquido cuántico de espín. La predicción teórica de las firmas realizada por Knolle y sus colaboradores en 2014 encajan bien con los grandes montículos en lugar de las líneas definidas que los experimentadores observaron en la pantalla, proporcionando por primera vez una prueba directa de un líquido cuántico de espín y la fraccionalización de electrones en un material bidimensional.

“Ésta es una nueva adición a una corta lista de estados cuánticos conocidos de la materia”, apunta Knolle.

“Es un avance importante en nuestra comprensión de la materia cuántica”, explica Kovrizhin. “Es divertido tener otro estado cuántico nuevo que nunca antes habíamos observado – nos muestra nuevas posibilidades para probar nuevas cosas”.

Referencias

A. Banerjee et al. ‘Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet.’ Nature Materials (2016). DOI: 10.1038/nmat4604

Anuncios