No tan elemental, mi querido electrón

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Artículo publicado por Zeeya Merali el 18 de abril de 2012 en Nature News

La partícula fundamental se “divide” en cuasipartículas, incluyendo el nuevo “orbitón”.

En una hazaña de maestría técnica, los físicos de materia condensada han logrado detectar el esquivo tercer constituyente de un electrón – el “orbitón”. El logro podría ayudar a resolver un antiguo misterio sobre el origen de la superconductividad de alta temperatura, y ser de ayuda para la construcción de computadores cuánticos.

Los electrones aislados no pueden dividirse en componentes mayores, dándoles la designación de partícula fundamental. Pero en la década de 1980, los físicos predijeron que los electrones de una cadena unidimensional de átomos podrían dividirse en tres cuasipartículas: un “holón” que porta la carga del electrón, un “espinón” porta su espín (una propiedad cuántica intrínseca relacionada con el magnetismo) y un “orbitón” que porta su posición1.

Electrón danzante © by Owl Dreams


“Estas cuasipartículas pueden moverse a distintas velocidades e incluso en distintas direcciones dentro del material”, dice Jeroen van den Brink, físico de materia condensada en el Instituto de Física Teórica del Estado Sólido en Dresden, Alemania. Los electrones atómicos tienen esta capacidad debido a que se comportan como ondas cuando están confinadas en un material. “Cuando se excita, esta onda se divide en múltiples ondas, cada una portando distintas características del electrón; pero no pueden existir de forma independiente fuera del material”, explica.

En 1996, los físicos dividen un electrón en un holón y un espinón2. Ahora, van den Brink y sus colegas han dividido un electrón en un orbitón y un espinón, tal y como se informa hoy en Nature3. El equipo creó las cuasipartículas disparando un haz de fotones de rayos-X hacia un electrón aislado en una muestra unidimensional de cuprato de estroncio. El haz excitó al electrón hacia un orbital superior, provocando que el haz perdiese una fracción de su energía en el proceso, y luego rebotase. El equipo midió el número de fotones dispersados en el haz reflejado, junto con su energía y momento, y lo comparó con sus simulaciones por ordenador de las propiedades del haz. Los investigadores encontraron que cuando la pérdida de energía de los fotones estaba entre 1,5 y 3,5 electronvolts, el espectro del haz encajaba con las predicciones para el caso de creación de un orbitón y un espinón y se movían en sentidos opuestos a través del material.

“El siguiente paso será producir el holón, el espinón y el orbitón al mismo tiempo”, dice van den Brink.

Andrew Boothroyd, físico de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, elogia el progreso tecnológico del equipo. “Para detectar esto, captaron un desplazamiento en la energía del haz de aproximadamente una parte en un millón, lo que es muy difícil”, dice.

Estudiar los orbitones en más profundidad podría ayudar a resolver un misterio de hace décadas sobre cómo los materiales, en particular los pníctidos de hierro, tienen capacidad superconductora — permiten el flujo de la electricidad sin resistencia — a altas temperaturas, añade Jan Zaanen, físico de materia condensada en la Universidad de Leiden en los Países Bajos. Los físicos han sugerido que este proceso podría explicarse mediante el movimiento de los orbitones4. “Personalmente, soy escéptico sobre esta explicación, pero ahora hay una forma de ponerla a prueba observando cómo se mueven los orbitones”, comenta Zaanen.

Los orbitones podrían también ayudar en el desafío de construir un computador cuántico – que usaría las propiedades cuánticas de las partículas para realizar cálculos de forma más rápida que su homólogo clásico. “Esta parece ser la dirección hacia la que esto irá en el futuro – codificar y manipular la información en espinones y orbitones”, dice Boothroyd. Un gran obstáculo para la computación cuántica ha sido que los efectos cuánticos normalmente se destruyen antes de que puedan realizarse los cálculos. “La ventaja que tenemos aquí es que las transiciones orbitales son extremadamente rápidas, necesitando apenas unos femtosegundos”, apunta. “Esto es tan rápido que puede dar una mejor opción para crear un computador cuántico real”.


Artículos de referencia:
Nature doi:10.1038/nature.2012.10471
1.- Kugel, K. I. & Khomskii, D. I. Sov. Phys. Usp. 25, 231–256 (1982).
2.- Kim, C. et alPhys. Rev. Lett. 77, 4054–4057 (1996).
3.- Schlappa, J. et alNature advance online publication http://dx.doi.org/10.1038/nature10974 (2012).
4.- Shimojima, T. et alScience 332, 564–567 (2011).

Autor: Zeeya Merali
Fecha Original: 18 de abril de 2012
Enlace Original

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