Artículos de última hora

Físicos observan miles de millones de electrones entrelazados


Un equipo internacional de físicos dice haber observado entrelazamientos cuánticos entre miles de millones de electrones que fluyen en films (serie de imágenes fijas) delgados de YbRh2Si2, un modelo de compuestos metálicos extraño.

El entrelazamiento es un fenómeno cuántico en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aun cuando los objetos estén separados espacialmente. Esto lleva a correlaciones entre las propiedades físicas observables. Por ejemplo, es posible preparar (enlazar) dos partículas en un solo estado cuántico de espín nulo, de forma que cuando se observe que una gira hacia arriba, la otra automáticamente recibirá una «señal» y se mostrará como girando hacia abajo, pese a la imposibilidad de predecir, según los postulados de la mecánica clásica, qué estado cuántico se observará.

En un punto crítico cuántico, las fluctuaciones críticas son de naturaleza mecánica cuántica, exhibiendo invariancia de escala tanto en el espacio como en el tiempo. A diferencia de los puntos críticos clásicos, donde las fluctuaciones críticas se limitan a una región estrecha alrededor de la fase de transición, la influencia de un punto crítico cuántico se siente en un amplio rango de temperaturas por encima del punto crítico cuántico, por lo que el efecto de la criticidad cuántica se siente sin siempre llegar al cero absoluto. La criticidad cuántica se observó por primera vez en ferroeléctricos, en los que la temperatura de transición ferroeléctrica se suprime a cero.

"El entrelazamiento cuántico es la base para el almacenamiento y procesamiento de información cuántica. Al mismo tiempo, se cree que el punto crítico cuántico impulsa la superconductividad a alta temperatura", dijo el coautor del estudio, el Dr. Qimiao Si, físico del Departamento de Física y Astronomía en el Centro de Materiales Cuánticos de la Universidad de Rice.

"Por lo tanto, nuestros hallazgos sugieren que la misma física subyacente, la criticidad cuántica, puede conducir a una plataforma tanto para la información cuántica como para la superconductividad a alta temperatura. Cuando uno contempla esa posibilidad, no puede evitar asombrarse ante la maravilla de la naturaleza".

El estudio
En sus experimentos, el Dr. Qimiao Si y sus colegas examinaron el comportamiento electrónico y magnético del YbRh2Si2 a medida que se acercaba y atravesaba una transición crítica en el límite entre dos fases cuánticas bien estudiadas.

Para obtener el resultado, los investigadores superaron varios desafíos.

Primero, tuvieron que desarrollar una técnica de síntesis de materiales altamente compleja para producir films ultrapuros de YbRh2Si2.

A temperatura de cero absoluta, el material experimenta una transición de una fase cuántica que forma un orden magnético a otro orden que no experimenta esta misma transición. Los autores realizaron experimentos de espectroscopía de terahercios en films a temperaturas tan bajas como 1.4 Kelvin.

Las mediciones de terahercios revelaron la conductividad óptica de los films de YbRh2Si2 cuando se enfriaron a un punto crítico cuántico que marcó la transición de una fase cuántica a otra.

"Con metales extraños, existe una conexión inusual entre la resistencia eléctrica y la temperatura", dijo uno de los autores del estudio, el Dr. Silke Bühler-Paschen, físico en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Viena y el Departamento de Física y Astronomía del Centro de Materiales Cuánticos de la Universidad de Rice.

"A diferencia de los metales simples como el cobre o el oro, esto no parece deberse al movimiento térmico de los átomos, sino a las fluctuaciones cuánticas a la temperatura de cero absoluto".


Imagen STEM de resolución atómica de la interfaz entre los films (arriba a la izquierda) y el sustrato (abajo a la izquierda), vistas ampliadas representativas con superposiciones simuladas (centro) y las celdas unitarias correspondientes (derecha).

Para medir la conductividad óptica, el equipo disparo una radiación electromagnética coherente en el rango de frecuencia de terahercios en la parte superior de los films y analizó la cantidad de rayos de terahercios que pasaban en función de la frecuencia y la temperatura.

Los experimentos revelaron la frecuencia sobre la escala de temperatura, un signo revelador de la criticidad cuántica.

Hacer los films fue aún más desafiante. Para hacerlos lo suficientemente delgados como para que pudieran pasar rayos de terahercios, los científicos desarrollaron un sistema único de epitaxia de haz molecular y un elaborado procedimiento de crecimiento.

El iterbio, el rodio y el silicio se evaporaron simultáneamente de fuentes separadas en la proporción exacta de 1-2-2. Debido a la alta energía necesaria para evaporar el rodio y el silicio, el sistema requería una cámara de vacío ultraalta hecha a medida con dos evaporadores de haz de electrones.

"Nuestro comodín fue encontrar el sustrato perfecto: germanio", dijo Lukas Prochaska, un autor del estudio y estudiante graduado en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Viena.

"El germanio era transparente a terahercios y tenía ciertas distancias atómicas (que eran) prácticamente idénticas a las de los átomos de iterbio en YbRh2Si2, lo que explica la excelente calidad de los films".

"Conceptualmente, fue realmente un experimento soñado", dijo el Dr. Qimiao Si.

"Pruebe el sector de carga en el punto crítico cuántico magnético para ver si es crítico, si tiene escala dinámica".

"Si no ve nada que sea colectivo, que este escalando, el punto crítico debe pertenecer a algún tipo de descripción de libro de texto. Pero, si ves algo singular, que de hecho vimos, entonces es una evidencia muy directa y nueva de la naturaleza de entrelazamiento cuántico de la criticidad cuántica".

Referencia del documento científico:
L. Prochaska et al. 2020. Fluctuaciones de carga singular en un punto crítico cuántico magnético. Science, Vol. 367, número 6475, págs. 285-288; doi: 10.1126 / science.aag1595

No hay comentarios.