Un equipo de científicos de la Universidad de Purdue ha informado de nuevas pruebas experimentales de un comportamiento colectivo de los electrones para formar “cuasipartículas” llamadas “anonas”.
Los anones tienen características que no se ven en otras partículas subatómicas, incluida la exhibición de carga fraccionada y estadísticas fraccionarias que mantienen una “memoria” de sus interacciones con otras cuasipartículas al inducir cambios de fase de la mecánica cuántica.
El investigador asociado postdoctoral James Nakamura, con la ayuda de los miembros del grupo de investigación Shuang Liang y Geoffrey Gardner, hizo el descubrimiento mientras trabajaba en el laboratorio del profesor Michael Manfra. Manfra es profesor distinguido de física y astronomía, profesor de física y astronomía de la cátedra Bill y Dee O’Brien de Purdue, profesor de ingeniería eléctrica e informática y profesor de ingeniería de materiales. Aunque este trabajo podría eventualmente resultar relevante para el desarrollo de una computadora cuántica, por ahora, dijo Manfra, debe considerarse un paso importante en la comprensión de la física de las cuasipartículas.
Un artículo de investigación sobre el descubrimiento se publicó en Física de la naturaleza.
Un equipo de científicos de la Universidad de Purdue encontró evidencia experimental de cuasipartículas llamadas anónimas. La interferencia eléctrica en el experimento creó un patrón que los investigadores llamaron “diagrama de pijama”; los saltos en el patrón de interferencia eran la firma de la presencia de anones. Crédito: imagen de la Universidad Purdue / James Nakamura
El físico teórico ganador del Premio Nobel Frank Wilczek, profesor de física en MIT, dio a estas cuasipartículas el nombre irónico de “anyon” debido a su extraño comportamiento porque, a diferencia de otros tipos de partículas, pueden adoptar “cualquier” fase cuántica cuando se intercambian sus posiciones.
Antes de la creciente evidencia de anyones en 2020, los físicos habían categorizado las partículas del mundo conocido en dos grupos: fermiones y bosones. Los electrones son un ejemplo de fermiones y los fotones, que forman la luz y las ondas de radio, son bosones. Una diferencia característica entre fermiones y bosones es cómo actúan las partículas cuando están enrolladas o trenzadas entre sí. Los fermiones responden de una manera sencilla y los bosones de otra manera esperada y sencilla.
Los anyones responden como si tuvieran una carga fraccional y, lo que es más interesante, crean un cambio de fase no trivial a medida que se trenzan entre sí. Esto puede dar a las personas un tipo de “memoria” de su interacción.
Los científicos de Purdue han anunciado nuevas pruebas experimentales de un comportamiento colectivo de los electrones para formar “cuasipartículas” llamadas “anonas”. El equipo pudo demostrar este comportamiento al enrutar los electrones a través de una nanoestructura grabada en forma de laberinto específico en un dispositivo a nanoescala llamado interferómetro. Crédito: imagen de la Universidad Purdue / James Nakamura
“Los aniones sólo existen como excitaciones colectivas de electrones en circunstancias especiales”, dijo Manfra. “Pero tienen estas propiedades demostrablemente geniales que incluyen carga fraccionada y estadísticas fraccionarias. Es gracioso, porque piensas: ‘¿Cómo pueden tener menos carga que la carga elemental de un electrón?’ Pero lo hacen “.
Manfra dijo que cuando se intercambian bosones o fermiones, generan un factor de fase de más uno o menos uno, respectivamente.
“En el caso de nuestros anyons, la fase generada por el trenzado fue 2π / 3”, dijo. “Eso es diferente a lo que se ha visto antes en la naturaleza”.
Los anones muestran este comportamiento solo como masas colectivas de electrones, donde muchos electrones se comportan como uno solo en condiciones muy extremas y específicas, por lo que no se cree que se encuentren aislados en la naturaleza, dijo Nakamura.
“Normalmente, en el mundo de la física, pensamos en partículas fundamentales, como protones y electrones, y todas las cosas que componen la tabla periódica”, dijo. “Pero estudiamos la existencia de cuasipartículas, que emergen de un mar de electrones que se colocan en ciertas condiciones extremas”.
Debido a que este comportamiento depende del número de veces que las partículas se trenzan o se enrollan entre sí, son más robustas en sus propiedades que otras partículas cuánticas. Se dice que esta característica es topológica porque depende de la geometría del sistema y eventualmente puede conducir a estructuras anyon mucho más sofisticadas que podrían usarse para construir computadoras cuánticas topológicas estables.
El equipo pudo demostrar este comportamiento enrutando los electrones a través de una nanoestructura grabada en forma de laberinto específica hecha de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio. Este dispositivo, llamado interferómetro, confinó a los electrones a moverse en una trayectoria bidimensional. El dispositivo se enfrió a una centésima de grado desde cero absoluto (10 milikelvin) y sometido a un potente campo magnético de 9 Tesla. La resistencia eléctrica del interferómetro generó un patrón de interferencia que los investigadores llamaron un “diagrama de pijama”. Los saltos en el patrón de interferencia fueron la firma de la presencia de anónimas.
“Definitivamente es una de las cosas más complejas y complicadas que se pueden hacer en física experimental”, dijo a Science News Chetan Nayak, físico teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara.
Nakamura dijo que las instalaciones de Purdue crearon el entorno para que ocurriera este descubrimiento.
“Tenemos la tecnología para hacer crecer el semiconductor de arseniuro de galio que se necesita para realizar nuestro sistema de electrones. Tenemos las instalaciones de nanofabricación en el Centro de Nanotecnología Birck para hacer el interferómetro, el dispositivo que usamos en nuestros experimentos. En el departamento de física, tenemos la capacidad de medir temperaturas ultrabajas y de crear fuertes campos magnéticos “. él dijo. “Entonces, tenemos todos los componentes necesarios que nos permitieron hacer este descubrimiento aquí en Purdue. Es una gran ventaja hacer investigación aquí y por qué hemos podido hacer este progreso “.
Manfra dijo que el próximo paso en la frontera de las cuasipartículas involucrará la construcción de interferómetros más complicados.
“En los nuevos interferómetros tendremos la capacidad de controlar la ubicación y el número de cuasipartículas en la cámara”, dijo. “Entonces podremos cambiar el número de cuasipartículas dentro del interferómetro a pedido y cambiar el patrón de interferencia como queramos”.
Referencia: “Observación directa de las estadísticas de trenzado anónico” por J. Nakamura, S. Liang, GC Gardner y MJ Manfra, 3 de septiembre de 2020, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-020-1019-1
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, con el número de premio DE-SC0020138.
