Un estado cuántico de la materia ha aparecido en un material que los físicos pensaban que sería imposible, lo que obligó a repensar las condiciones que gobiernan el comportamiento de los electrones en ciertos materiales.
El descubrimiento, realizado por un equipo internacional de investigadores, podría contribuir a los avances en la computación cuántica, mejorar la eficiencia electrónica y mejorar la detección y la obtención de imágenes.
Se predijo teóricamente que este estado, descrito como una fase semimetálica topológica, aparecería a bajas temperaturas en un material compuesto de cerio, rutenio y estaño (CeRu4Sn6), antes de que los experimentos verificaran su existencia.
A temperaturas extremadamente bajas, CeRu4Sn6 alcanza la criticidad cuántica, un punto donde un material oscila entre cambios de fase, donde las condiciones son tan frías que dominan las fluctuaciones cuánticas, convirtiendo efectivamente el material en un charco de ondas en lugar de una niebla de partículas.
Relacionado: El ‘pequeño Einstein’ de Bélgica obtiene un doctorado en física cuántica a los 15 años
El giro de la trama de este estudio es que la criticidad cuántica puede dar lugar a estados que se cree que están definidos por interacciones entre partículas, como el comportamiento de los electrones como portadores de carga discretos.
“Este es un paso adelante fundamental”, afirma el físico Qimiao Si, de la Universidad Rice de Estados Unidos.
“Nuestro trabajo muestra que se pueden combinar poderosos efectos cuánticos para crear algo completamente nuevo, que puede ayudar a dar forma al futuro de la ciencia cuántica”.
En física, la topología se refiere a la geometría de las estructuras materiales. Los estados topológicos particulares pueden proteger las propiedades de las partículas, a diferencia de la forma en que las partículas vecinas pueden empujarse y alterar el comportamiento de las demás.
Comprender los estados topológicos generalmente requiere unir propiedades en mapas similares a partículas, algo que no se cree que tenga un material bajo criticidad cuántica.
Tanto la criticidad cuántica como la topología son útiles en materiales por diferentes razones. Combinarlos podría producir una nueva clase de materiales con una gran sensibilidad en sus respuestas cuánticas y una estabilidad confiable.
Cuando los investigadores enfriaron CeRu4Sn6 hasta casi el cero absoluto y aplicaron una carga eléctrica, observaron un fenómeno conocido como efecto Hall en los electrones que transportaban corriente a través del material. Básicamente, la corriente se ha torcido hacia un lado.
Según los investigadores, esto era una señal clara de efectos topológicos. El efecto Hall normalmente requiere un campo magnético para desviar los electrones, pero en este caso no había ningún campo magnético. En cambio, la trayectoria de la corriente estaba siendo moldeada por algo inherente al material.
“Ésta fue la idea clave que nos permitió demostrar sin lugar a dudas que es necesario revisar la opinión predominante”, afirma física Silke Bühler-Paschen de la Universidad Tecnológica de Viena.
Es más, los científicos descubrieron que donde el material era más inestable en términos de sus patrones electrónicos, allí es donde el efecto topológico era más fuerte; las fluctuaciones cuánticas críticas en realidad estabilizaron la fase recién descubierta.
Hay mucho más trabajo por hacer. Los investigadores quieren comprobar si este estado cuántico se puede encontrar en otros materiales, para determinar su grado de generalidad.
También quieren observar más de cerca la topología observada aquí y las condiciones precisas necesarias para hacerlo posible.
“Los hallazgos abordan una brecha en la física de la materia condensada al demostrar que fuertes interacciones de electrones pueden dar lugar a estados topológicos en lugar de destruirlos”, dice Si.
“Además, revelan un nuevo estado cuántico con gran importancia práctica”.
“Saber qué buscar nos permite explorar este fenómeno de forma más sistemática”, añade.
“No es sólo una idea teórica, es un paso hacia el desarrollo de tecnologías reales que aprovechen los principios más profundos de la física cuántica”.
La investigación ha sido publicada en Nature Physics.