Científicos de Princeton descubren un exótico estado cuántico de la materia

Estas imágenes recopiladas por los científicos de la Universidad de Princeton muestran (arriba) la primera imagen directa de los patrones danzantes de electrones en la arista del cristal de bismuto-antimonio, el cual es un aislante Hall cuántico; (centro) esquema y otra imagen mostrando la distribución de electrones en tres dimensiones; y (abajo) esquema e imagen comunicando la distribución de los electrones de las aristas en dos dimensiones. Imágenes: Zahid Hasan

“Efecto similar al Hall Cuántico” encontrado en un material sin aplicarle un campo magnético.

Un equipo de científicos de la Universidad de Princeton ha encontrado que uno de los fenómenos más intrigantes de la física de la materia condensada – conocido como efecto Hall cuántico – puede tener lugar en la naturaleza de una forma que nunca antes se había visto.

En el ejemplar del 24 de abril de la revista Nature, los científicos informan de que han registrado este exótico comportamiento de los electrones en un cristal de bismuto-antimonio sin ningún campo magnético externo presente. El trabajo, aunque significativo de una forma fundamental, también podría llevar a avances en nuevos tipos de dispositivos de computación cuántica rápida o “espintrónica”, de uso potencial en futuras tecnologías electrónicas, dicen los autores.

“Tuvimos las herramientas adecuadas y el conjunto adecuado de ideas”, dijo Zahid Hasan, profesor asistente de física que lideró la investigación y propulsó los fotones de rayos X sobre la superficie del cristal para encontrar el efecto. El equipo usó una técnica de alta energía basada en un acelerador conocida como “espectroscopia de electro-fotón de sincrotrón”.

Y, añadió Hasan, “Teníamos el material adecuado”.

El efecto Hall cuántico sólo se había visto anteriormente en finas capas atómicas de semiconductores en presencia de campos magnéticos aplicados muy altos. En la exploración de los nuevos dominios y someter a los materiales a condiciones extremas, los científicos buscan enriquecer la base para la comprensión de cómo se mueven los electrones.

Robert Cava, Profesor Russell Wellman Moore de Química y coautor del artículo, trabajó con miembros de su equipo para producir el cristal en su laboratorio durante muchos meses de ensayo y error. “Este es uno de esos maravillosos ejemplos de la ciencia e una intensa y extendida colaboración entre científicos de distintos campos”, dijo Cava, también catedrático del Departamento de Química.

“Este notable experimento es un importante logro para el equipo de Princeton”, dijo Phuan Ong, profesor de física en Princeton que no estuvo implicado en la investigación. Ong, que también sirve como director ayudante del Centro de Materiales Complejos en Princeton, añadió que el experimento “encenderá una escalada mundial para comprender los nuevos estados y un gran programa para manipularlos para nuevas aplicaciones electrónicas”.

Los electrones, los cuales son partículas eléctricamente cargadas, se comportan en un campo magnético, como han apuntado varios científicos, como una nube de mosquitos en un vendaval. En un material que conduce la electricidad, como el cobre, el “viento” magnético empuja a los electrones hacia los bordes. Un voltaje eléctrico surge en la dirección de este viento – en ángulos rectos a la dirección del flujo de corriente. Edwin Hall descubrió este inesperado fenómeno, el cual pasó a llamarse efecto Hall, en 1879. El efecto Hall se ha convertido en una herramienta estándar para evaluar la carga en materiales eléctricos en laboratorios de física de todo el mundo.

En 1980, el físico alemán Klaus von Klitzing estudió el efect Hall con nuevas herramientas. Encerró los electrones en una capa fina de átomos, y los enfrió casi hasta el cero absoluto en campos magnéticos muy potentes. Con los electrones forzados a moverse en un plano, el efecto Hall, encontró, cambiaba en pasos discretos, lo que significaba que el voltaje se incrementaba en trozos, en lugar de incrementarse poco a poco como sería de esperar. Los electrones, según vio, actúan de forma impredecible cuando se agrupan. Su trabajo le valió el Premio Nobel de física en 1985.

Daniel Tsui (ahora en Princeton) y Horst Stormer de los Laboratorios Bell realizaron experimentos similares poco después del de von Klitzing. Usaron capas de semiconductores extremadamente puros enfriados casi al cero absoluto y sometidos al imán más potente del mundo. En 1982, de pronto vieron algo nuevo. Los electrones de la capa fina de átomos parecían “cooperar” y funcionar junta para formar los que los científicos llaman un “fluido cuántico”, una situación extremadamente rara donde los electrones actúan de forma idéntica, en formación, más como una sopa que como unidades giratorias individuales.

Tras un año de reflexión, Robert Laughlin, ahora en la Universidad de Stanford, ideó un modelo que recordaba una tormenta en el mar en la cual la fuerza del viento magnético y los electrones de este “fluido cuántico” creo un nuevo fenómeno – remolinos y olas – sin modificarse ellos mismos. Para abreviar, demostró que los electrones en un potente campo magnético se condensan para formar este fluido cuántico relacionado con los fluidos cuánticos que tienen lugar en la superconductividad y en el helio líquido.

Por sus esfuerzos, Tsui, Stormer y Laughlin ganaron el Premio Nobel de física en 1998.

Recientemente, los teóricos Charles Kane y su equipo de la Universidad de Pennsylvania, se basaron en un modelo propuesto por Duncan Haldane de Princeton, que predecía que los electrones serían capaces de forman un fluido cuántico similar al Hall incluso en ausencia de la aplicación un campo magnético externo, en especial en materiales donde ciertas condiciones de la órbita del electrón y la dirección de giro se encontrasen. Los electrones en estos materiales especiales se espera que generen su propio campo magnético interno cuando están viajando casi a la velocidad de la luz y son sometidos a las leyes de la relatividad.

En la búsqueda de tal comportamiento exótico de los electrones, el equipo de Hasan decidió ir más allá de las herramientas convencionales para medir efectos Hall cuánticos. Tomaron el cristal tridimensional de bismuto-antimonio, lo bañaron con fotones de rayos-X ultra-rápidos y observaron cómo los electrones saltaban fuera. Ajustando con precisión los rayos-X, pudieron tomar imágenes directamente de los patrones danzantes de los electrones en las aristas de la muestra. La naturaleza del comportamiento Hall cuántico en el material se identificó analizando los únicos patrones danzantes observados en la superficie del material en los experimentos.

Kane, teórico de la Universidad de Pennsylvania, ve el trabajo de Princeton como algo extremadamente significativo. “Este experimento abre la puerta a un amplio rango de posteriores estudios”, dijo.

Las imágenes observadas por el grupo de Princeton proporcionan la primera evidencia directa de un comportamiento similar al Hall cuántico sin campos magnéticos externos.

“Lo que es emocionante de este nuevo método de observar el comportamiento similar al Hall cuántico es que se pueden fotografiar directamente los electrones de las aristas de la muestra, lo cual no se había hecho antes”, dijo Hasan. “Esto visión directa abre las puertas a un amplio rango de posibilidades para oportunidades de investigación fundamental en el comportamiento cuántico Hall de la materia”.

Otros investigadores del artículo incluyen a los estudiantes graduados David Hsieh, Andrew Lewis Wray, YuQi Xia y los profesores de posdoctorado Dong Qian y Yew San Hor. Los miembros del equipo están en los departamentos de física y química, y son miembros del Centro de Materiales Complejos de Princeton. Usaron instalaciones en el Laboratorio Lawrence Berkeley en Berkeley, California, y en el Centro de Radiación de Sincrotrón de la Universidad de Wisconsin en Stoughton, Wisconsin.

El trabajo fue patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencia.


Autor: Kitta MacPherson
Fecha Original: 24 de abril de 2008
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