Patrones fractales observados en el dominio cuántico

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Fractal

Desde los montañosos paisajes a vista de pájaro a las erráticas trayectorias del movimiento Browniano, los patrones fractales existen a muchas escalas en la naturaleza. Los físicos creen que los fractales también están en el mundo cuántico, y ahora un grupo de investigadores de los Estados Unidos ha demostrado que, efectivamente, éste es el caso. Esta imagen muestra el patrón fractal que resulta cuando las ondas asociadas a electrones empiezan a interferir entre sí.

Un fractal es una entidad geométrica cuyos patrones básicos se repiten en tamaños cada vez más pequeños. Por ejemplo, un sistema fluvial es un patrón fractal aproximado dado que los canales se ramifican en afluentes cada vez más estrechos moviéndose corriente arriba; en cada confluencia el patrón es una versión menor de la rama anterior.

Una súbita transición

Ali Yazdani de la Universidad de Princeton en los Estados Unidos y sus colegas han revelado que estos patrones también existen a la escala de los átomos individuales en un sólido. Y la clave para este efecto es una súbita transición donde un material cambia de metal a aislante. En esta transición, las ondas asociadas con los electrones individuales pasan de extenderse a través de todo un sistema a quedar localizadas en lugares de una retícula.

En esta transición de metal a aislante, las ondas del electrón se compactan. Empiezan a afectarse entre sí en una compleja red de interferencias constructivas y destructivas, lo cual da como resultado un patrón fractal. Yazdani y su equipo fueron capaces de observar este efecto usando un microscopio de efecto túnel (STM), el cual proporcionó la resolución de escala atómica.

El material usado fue un semiconductor ferromagnético de arseniuro de galio dopado con un 5% de manganeso, elegido debido a que los investigadores están interesados en formas eficientes de convertir un semiconductor en un imán. El dopado del arseniuro de galio de esta forma se ha convertido en una aproximación popular en el emergente campo de la espintrónica – la electrónica que explota los espines de las partículas así como su carga. La espintrónica tiene el potencial de aumentar la velocidad de cálculo y la electrónica.

Descubrimiento casual

Hablando sobre su investigación, Yazdani admite que observar estos fractales no era el objetivo principal del estudio. “Hacemos esto cada día, pero una vez que logramos tener funcionando el experimento con este material, nos enfrentamos a lo que parecían patrones aleatorios”, comenta. Su grupo pasó al desarrollo de la teoría y se dio cuenta de que los electrones que observaban estaban en la posición justa.

Yazdani y su equipo trataron de desarrollar su investigación comparando el comportamiento colectivo respecto al individual en los electrones de su sistema y cómo influían en los patrones espaciales. El gran logro de esta investigación esn conectar estos patrones con teorías del magnetismo para avanzar tanto en la investigación fundamental como en el desarrollo de aplicaciones espintrónicas.

Esta investigación se publica en Science.


Autor: James Dacey
Fecha Original: 9 de febrero de 2010
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