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Artículo publicado el 10 de junio de 2016 en la Universidad de Chicago

Las interacciones de la luz y la materia tienen un potencial interés tecnológico.

La luz y la materia normalmente se han visto como entidades distintas que siguen sus propias y únicas reglas. La materia tiene masa y habitualmente muestra interacciones con otra materia, mientras que la luz no tiene masa y no interactúa consigo misma. Aun así, la dualidad onda-partícula nos dice que la materia y la luz actúan a veces como partículas, y a veces como ondas.

Efecto Hall cuántico

Efecto Hall cuántico Crédito: Nathan Schine, Albert Ryou, Andrey Gromov, Ariel Sommer, y Jonathan Simon

Para aprovechar la naturaleza ondulatoria compartida de la luz y la materia, los investigadores de la Universidad de Chicago, liderados por Jonathan Simon, Catedrático Adjunto de Física Neubauer Family, han usado la luz para explorar algunas de las preguntas más interesantes de la mecánica cuántica de los materiales. El tema abarca fenómenos complejos y poco intuitivos que a menudo son difíciles de explicar en lenguaje no técnico, pero que tienen implicaciones importantes para los especialistas en el campo.

En un trabajo publicado en línea esta semana en la revista Nature, el grupo de Simon presenta nuevas observaciones experimentales de un material Hall cuántico cerca de una singularidad de curvatura en el espacio.

Los efectos cuánticos dan lugar a algunas de las más útiles y prometedoras propiedades de los materiales: definen unidades estándar de medida, dan lugar a la superconductividad y describen computadores cuánticos. Los materiales de efecto Hall cuántico son un destacado ejemplo en el que los electrones quedan atrapados en órbitas circulares no conductoras salvo en los bordes del materia. Allí los electrones muestran una conductividad eléctrica cuantizada libre de resistencia que es inmune al desorden, tal como impurezas en el material o defectos en la superficie.

Además, los electrones en los materiales Hall cuánticos no transmiten ondas de sonido, sino que transmiten excitaciones similares a partículas, algunas de las cuales son muy distintas a cualquier otra partícula descubierta. Algunos de estos materiales también muestran entrelazamiento cuántico simultáneo entre millones de electrones, lo que significa que los electrones también están interconectados, el estado de uno influye instantáneamente en el estado de todos los demás. Esta combinación de propiedades hace que los materiales Hall cuánticos sean una prometedora plataforma para la futura computación cuántica.

Investigadores de todo el mundo han pasado los últimos 35 años investigando los misterios de los materiales Hall cuánticos, pero siempre del mismo modo básico. Usan imanes superconductores para crear campos magnéticos muy potentes y refrigeradores para enfriar las muestras electrónicas a milésimas de grado sobre el cero absoluto.

Atrapar la luz…

En un nuevo enfoque, Simon y su equipo demostraron la crearon de un material Hall cuántico hecho de luz. “Usando espejos que se apuntan entre sí, podemos atrapar la luz durante un largo tiempo mientras rebota adelante y atrás miles de veces entre los espejos”, explica el estudiante graduado Nathan Schine.

En el experimento de la Universidad de Chicago, los fotones rebotan entre los espejos, y su movimiento lateral imita el comportamiento de partículas masivas como electrones. Para simular un potente campo magnético, los investigadores crearon una configuración no planar de cuatro espejos que hace que la luz gire para completar un viaje de ida y vuelta. El movimiento de giro provoca que los fotones se muevan como partículas cargadas en un campo magnético, incluso si no hay en realidad ningún campo presente.

“Hacemos que los fotones giren, lo cual lleva a una fuerza que tiene el mismo efecto que un campo magnético”, explica Schine. Aunque la luz está atrapada, se comporta como los electrones en un material Hall cuántico.

Primero, el grupo de Simon demostró que tenían un material Hall cuántico de luz. Para hacer esto, iluminaron una luz láser infrarroja sobre los espejos. Variando la frecuencia del láser, el equipo de Simon pudo cartografiar con precisión las frecuencias a las que el láser se transmitía a través de los espejos. Estas frecuencias de transmisión, junto con las imágenes de la luz transmitida, dieron una señal reveladora de un estado Hall cuántico.

Luego, los investigadores aprovecharon el preciso control que proporcionaba su avanzado sistema óptico  para colocar los fotones en un espacio curvado, algo que no había sido posible hasta el momento con electrones. En particular, hicieron que los protones se comportasen como si estuviesen en la superficie de un cono.

…cerca de una singularidad

“Creamos un cono de luz, de la misma forma que podrías hacerlo cortando una hoja de papel y uniendo entre sí los extremos”, dice  el becario de posdoctorado Ariel Sommer, también coautor del artículo. “En este caso, impusimos una simetría triple en nuestra luz, que básicamente divide el plano en tres porciones y fuerza a la luz a repetirse en cada porción”.

La punta del cono tiene una curvatura infinita — la singularidad — por lo que los investigadores lograron estudiar el efecto de una fuerte curvatura espacial en un material Hall cuántico. Observaron que los fotones se acumulaban en la punta del cono, confirmando la teoría, anteriormente no demostrada, del efecto Hall cuántico en un espacio curvado.

A pesar de 20 años de interés, ésta es la primera vez que se ha observado en un experimento el comportamiento de materiales cuánticos en un espacio curvado. “Estamos empezando a hacer que nuestro fotones interactúen entre sí”, comenta Schine. “Esto abre muchas posibilidades, tales como crear estado de luz líquida cuánticos cristalinos o exóticos. Podemos ver cómo responden a la curvatura espacial”.

Los investigadores dicen que esto podría ser útil para caracterizar cierto tipo de computador cuántico que se construye a partir de materiales Hall cuánticos.

“Aunque los materiales Hall cuánticos se descubrieron en la década de 1980, siguen revelando sus fascinantes secretos en la actualidad”, comenta Simon. “La última frontera es explorar las interacciones entre estas maravillosos materiales con la curvatura del espacio. Esto es lo que hemos empezado a explorar con nuestros fotones”.

Referencias

Citation: “Synthetic Landau levels for photons,” Nature Advance Online Publication, June 8, 2016, by Nathan Schine, Albert Ryou, Andrey Gromov, Ariel Sommer and Jonathan Simon. DOI: 10.1038/nature17943.

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