Un nuevo avance puede ayudar a los científicos a resolver algunos de los misterios del reino cuántico.
Por primera vez, los físicos han podido medir la “forma” geométrica que adopta un electrón solitario cuando se mueve a través de un sólido. Es un logro que desbloqueará una forma completamente nueva de estudiar cómo se comportan los sólidos cristalinos a nivel cuántico.
“Básicamente, hemos desarrollado un plan para obtener información completamente nueva que antes no se podía obtener”. dice el físico Riccardo Comin del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
La investigación fue dirigida por los físicos Mingu Kang –antes del MIT y ahora en la Universidad de Cornell– y Sunjie Kim de la Universidad Nacional de Seúl.
Dentro del Universo físico, la materia se comporta de maneras bien descritas por la física clásica.
Sin embargo, en un nivel más fundamental de interacciones de partículas y métodos de medición, las cosas pueden volverse un poco extrañas. En la escala más fina, la precisión debe dar paso a una descripción más confusa representada por ondas de posibilidad conocidas como mecánica cuántica.
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Nos referimos a objetos como los electrones como partículas, y eso da la impresión de que son como bolitas diminutas. Dado su tamaño, las propiedades y comportamientos de los electrones se describen con mucha más precisión por su naturaleza cuántica ondulatoria.
Para describir el aspecto ondulatorio de los electrones, los físicos utilizan funciones de onda: modelos matemáticos que describen las propiedades de la onda como posibilidades evolutivas de encontrar la partícula en un lugar específico con características específicas.
Podemos considerar algunas de estas características como una especie de geometría, a menudo similar a una curva o esfera que gira en un número infinito de direcciones. Otras formas de geometría cuántica, como las de electrones en una red de átomos, son tan complicados como un botella klein o un tira de moebius.
Determinando algunos aspectos de lo desordenado. La geometría cuántica de un electrón en un sólido ha implicado previamente muchas conjeturas basadas en propiedades que los físicos poder medida.
Para medir la geometría cuántica de los electrones, Kang, Jie y sus colegas buscaron medir una propiedad conocida como tensor geométrico cuántico o QGT. Esta es una cantidad física que codifica toda la información geométrica de un estado cuántico, similar a la forma en que un holograma bidimensional codifica información sobre un espacio tridimensional.
La técnica que utilizaron se llama espectroscopia de fotoemisión con resolución de ánguloen el que se disparan fotones contra un material para desalojar electrones y medir sus propiedades, como la polarización, el espín y el ángulo.
Esto estaba dirigido a monocristales de una aleación de cobalto y estaño, un material conocido como kagome metal – un material cuántico cuyas propiedades el equipo había investigado previamente utilizando la misma técnica.
Los resultados proporcionaron a los investigadores la primera medición del QGT en un sólido y, a partir de esto, pudieron inferir el resto de la geometría cuántica de los electrones en el metal.
El equipo comparó esto con la geometría cuántica derivada teóricamente para el mismo material, lo que les permitió determinar la utilidad de estimar la geometría en comparación con medirla directamente.
Y, afirman, su técnica será aplicable a una amplia gama de materiales, no sólo a la aleación de cobalto y estaño utilizada para este estudio. Es un resultado que tendrá algunas implicaciones interesantes. Por ejemplo, se podría aprovechar la geometría cuántica para descubrir superconductividad en materiales donde no se suele encontrar.
“La interpretación geométrica de la mecánica cuántica sustenta muchos avances recientes en la física de la materia condensada”, un anónimo experto dijo Física de la naturaleza.
“Estos autores han sido pioneros en una metodología para acceder experimentalmente al tensor geométrico cuántico, que caracteriza fundamentalmente las propiedades geométricas de los estados cuánticos. La metodología desarrollada es sencilla, aplicable a diversos materiales de estado sólido y tiene un gran potencial para impulsar la actividad experimental en la búsqueda de comprensión geométrica de nuevos fenómenos cuánticos”.
La investigación del equipo ha sido publicada en Física de la naturaleza.