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Primera percepción de un «fantasma cuántico», la función de onda de los electrones

Primera percepción de un «fantasma cuántico», la función de onda de los electrones

Científicos de la Universidad de California han conseguido por primera vez la reconstrucción experimental de la función de onda de los electrones, también conocida como «fantasma cuántico». Un impulso a nuevos láseres, detectores y a la computación cuántica.

Aunque la velocidad de la luz es la más rápida del universo, también es verdad que las propiedades materiales pueden influir en el comportamiento de los objetos cuánticos, incluso en la velocidad a la que se propaga la luz.

Los electrones también se comportan de manera diferente, según estén en los materiales o estén en el espacio libre. Comprender cómo ocurre ese comportamiento es fundamental para los científicos que estudian las propiedades de los materiales y los ingenieros que buscan desarrollar nuevas tecnologías.

La naturaleza ondulatoria de un electrón también es muy particular y todavía se está investigando acerca de su naturaleza, ya que conocerla es absolutamente necesario para el diseño de dispositivos electrónicos más avanzados.

Una investigación desarrollada en la UC Santa Barbara, de la que Mark Sherwin es autor principal, ha desarrollado un método para calcular la naturaleza de onda de un electrón, llamada función de onda de Bloch, a partir de mediciones físicas.

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Reconstruyendo un fantasma

«Esta es la primera vez que ha habido una reconstrucción experimental de una función de onda de Bloch», explica Mark Sherwin en un comunicado.

Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista Nature más de 90 años después de que Felix Bloch, Premio Nobel de Física en 1952, describiera por primera vez el comportamiento de los electrones en sólidos cristalinos.

Como toda partícula elemental, los electrones pueden comportarse como partículas y como ondas. Sus propiedades ondulatorias se describen mediante objetos matemáticos llamados funciones de onda.

Estas funciones de onda tienen componentes tanto reales como imaginarios, lo que las convierte en lo que los matemáticos llaman funciones «complejas». Son como fantasmas cuánticos.

Desafío tecnológico

Sin embargo, el valor de la función de onda de Bloch de un electrón no se puede medir directamente, por lo que la observación se limita a las propiedades relacionadas con él.

El desafío ha sido que, debido a la inevitable aleatoriedad en un material, los electrones se golpean y sus funciones de onda se dispersan, algo que ocurre extremadamente rápido, del orden de cien femtosegundos (un femtosegundo equivale a una milbillonésima parte de un segundo).

Esto ha impedido que los investigadores obtengan una medición lo suficientemente precisa de las propiedades ondulatorias del electrón en un material, lo que ha impedido hasta ahora reconstruir la función de onda de Bloch.

Y este es el problema que ha resuelto la nueva investigación: utilizó un material simple, arseniuro de galio (GaAs), un importante semiconductor compuesto de galio y arsénico, para realizar su experimento.

Proeza conseguida

Todos los electrones de este material, que se usa para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser y células fotovoltaicas, están inicialmente atascados en enlaces entre los átomos de galio y arsénico.

Para salir de este impasse, los investigadores usaron un láser infrarrojo de baja intensidad y alta frecuencia para excitar a los electrones presentes en el material, y de esta forma consiguieron liberar a algunos de ellos y hacerlos más móviles.

Gracias a esa movilidad inesperada, los electrones entraron en una dinámica cuántica que los llevó primero a alejarse unos de otros, luego a detenerse, después a acelerarse de nuevo para finalmente volver a combinarse.

Este proceso es el que permitió la proeza tecnológica, porque ha llevado a los electrones a mostrar diferentes funciones de onda de Bloch antes de volver a combinarse con los demás electrones.

Cuántico y real

Los investigadores aprovecharon esta circunstancia para observar y medir todo este proceso cuántico y reconstruir experimentalmente la función de onda de Bloch por primera vez.

También verificaron que las funciones de onda parametrizadas coincidían con el tipo de luz que se observa experimentalmente, por lo que los investigadores consideran que han constatado una relación muy simple que conecta la teoría mecánica cuántica fundamental con el experimento del mundo real.

Este resultado es importante porque, actualmente, los científicos e ingenieros tienen que confiar en teorías con muchos parámetros poco conocidos para determinar la función de onda de Bloch y desarrollar así productos tecnológicos nuevos.

Nuevos diseños tecnológicos

Eso significa que reconstruir con precisión las funciones de onda de Bloch en una variedad de materiales, permitirá el diseño y la ingeniería de todo tipo de cosas útiles e interesantes como láseres, detectores e incluso algunas arquitecturas de computación cuántica, destacan los investigadores.

Ahora que han validado la medición de las funciones de onda de Bloch en un material con el que están familiarizados, el equipo se propone aplicar su técnica a materiales novedosos y cuasipartículas más exóticas, con la esperanza de alcanzar aplicaciones significativas de su descubrimiento.

Referencia

Reconstruction of Bloch wavefunctions of holes in a semiconductor. J. B. Costello et al. Nature volume 599, pages57–61 (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03940-2

Imagen superior. Creación artística del experimento: la dispersión inducida de los electrones mediante un láser (onda gris) permitió la reconstrucción experimental de la función de onda. Crédito: Brian Long.

RedacciónT21

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