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Fotografían a una partícula cuántica en un «estado extracorporal»

Fotografían a una partícula cuántica en un «estado extracorporal»

En un estado exótico de la materia, los electrones se descomponen en dos cuasipartículas cuánticas, una que permanece inmóvil, y otra que vive una «experiencia extracorporal» mientras rebota como un fantasma en un cristal. Hay fotos.

Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) de Estados Unidos han fotografiado a una partícula cuántica en una especie de «estado extracorporal» totalmente inesperado, rebotando como un fantasma por un material cristalino.

Es la primera vez que los científicos consiguen capturar imágenes directas de cómo los electrones se descomponen en partículas similares a espines llamadas espinones, y en partículas similares a cargas eléctricas llamadas holones, después de ser introducidos en un nuevo estado de la materia conocido como Líquido de spin cuántico (QSL).

Ese estado exótico de la materia QSL es como una especie de «líquido» que se caracteriza, entre otras cosas, por su frenesí de entrelazamiento cuántico.

Las partículas cuánticas tienen dos propiedades inherentes e inseparables: el espín, que refleja su momento angular (estado de rotación), y su carga eléctrica. Ambas se pueden alterar en un entorno QSL.

Para entender la importancia de este descubrimiento hay que retroceder hasta 2006, cuando investigadores de la Universidad de Stanford comprobaron por primera vez experimentalmente una teoría que llevaba 40 años esperando verificación.

Tema relacionado: Demuestran la existencia de un nuevo estado cuántico de la materia

Ilustración de un electrón que se rompe en partículas fantasma de espín y halones dentro de un Líquido de espín cuántico. (Crédito: Mike Crommie et al./Berkeley Lab)

Fotos históricas

Trabajando en la Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de Estados Unidos, el mismo que ha conseguido las históricas fotos, los científicos pudieron comprobar entonces que la excitación colectiva de un sistema de electrones puede conducir a la aparición de dos nuevas cuasipartículas llamadas «espinones» y «holones».

En este estado, el espinón transporta información sobre el espín de un electrón y un holón transporta información sobre su carga, y lo hacen como entidades separadas e independientes.

Es algo paradójico, ya que, trasladado el fenómeno al mundo ordinario, es como si las ruedas de un coche estuvieran orientadas a la derecha y el coche girara a la izquierda, explican los investigadores.

Hasta entonces no se había podido confirmar ni la existencia ni el comportamiento de espinones y halones. Quince años después se ha obtenido el primer testimonio gráfico de ese singular proceso.

Imagen real

“Otros estudios han visto varias huellas de este fenómeno, pero ahora tenemos imágenes reales del estado en el que vive el espinón. Esto es algo nuevo”, explica el líder del nuevo estudio, Mike Crommie, en un comunicado.

Otro de los investigadores, Sung-Kwan Mo, añade: “Los espinones son como partículas fantasma. Son como el gran pie de la física cuántica: la gente dice que los ha visto, pero es difícil demostrar que existen. Con nuestro método, hemos proporcionado algunas de las mejores pruebas hasta la fecha».

En una QSL, los espinones se mueven libremente transportando calor y giro, pero sin carga eléctrica. Para detectarlos, la mayoría de los investigadores se han basado anteriormente en técnicas que buscan sus firmas de calor.

Ahora, como se informa en la revista Nature Physics, Crommie, Mo y sus equipos de investigación, han demostrado cómo caracterizar los espinones en las QSL mediante imágenes directas de cómo se distribuyen en un material.

División insólita

Lo que pudieron apreciar en la imagen obtenida es que, cuando se inyecta en una QSL, un electrón se rompe en dos partículas diferentes, espinones y halones.

Las imágenes obtenidas de esta «separación espín-carga» de electrones, que se produjo en muestras de una sola capa de un sólido cristalino con solo tres átomos de espesor, evidencian en primer lugar que los halones se congelan en su posición.

Forman lo que los científicos llaman una onda de densidad de carga: tiene la forma de una estrella de David (de seis puntas, formada por dos triángulos que se cruzan en seis lugares).

Esquema de la retícula de espín triangular y el patrón de onda de densidad de carga de estrella de David en una monocapa de diseleniuro de tantalo. Cada estrella consta de 13 átomos de tantalio. Los giros localizados están representados por una flecha azul en el centro de la estrella. La función de onda de los electrones localizados está representada por un sombreado gris. (Crédito: Mike Crommie et al./Berkeley Lab)

Experiencia extracorporal

Sin embargo, la imagen permite observar también que los espinones se someten a una «experiencia extracorporal» a medida que se separan de los halones congelados en su posición, y se mueven libremente a través del material.

Esto es inusual, ya que, en un material convencional, los electrones transportan tanto el giro como la carga a medida que se mueven. Estas dos propiedades «no suelen romperse de esta manera tan divertida», dice Crommie.

Y añade: “parte de la belleza de este tema es que todas las interacciones complejas dentro de una QSL de alguna manera se combinan para formar una partícula fantasma simple, que sencillamente rebota dentro del cristal”.

Cúbits más robustos

Valorando la importancia de su descubrimiento, los investigadores consideran que las QSL podrían algún día formar la base de los bits cuánticos (cúbits) robustos que se utilizan para la computación cuántica.

En la computación convencional, un bit codifica la información como un cero o como un uno, pero un cúbit puede contener tanto un cero como un uno al mismo tiempo, acelerando así potencialmente ciertos tipos de cálculos.

Comprender cómo se comportan los espinones y halones en las QSL podría potenciar la investigación en la computación de próxima generación, según los autores de este estudio.

Otra motivación para comprender el funcionamiento interno de las QSL es que se ha predicho que serán un precursor de la superconductividad exótica. Los investigadores se proponen probar esa predicción en la Fuente de Luz Avanzada (ALS).

Referencia

Evidence for quantum spin liquid behaviour in single-layer 1T-TaSe2 from scanning tunnelling microscopy. Wei Ruan et al. Nature Physics (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-021-01321-0

Foto superior: Jr Korpa. Unplash.

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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