Un estado cuántico de la materia ha aparecido en un material donde los físicos consideraban que era imposible, lo que obliga a replantearse las condiciones que rigen el comportamiento de los electrones en ciertos materiales.
El descubrimiento, realizado por un equipo internacional de investigadores, podría impulsar avances en la computación cuántica, mejorar la eficiencia electrónica y optimizar la detección y la obtención de imágenes.
Este estado, descrito como una fase de semimetal topológico, se había predicho teóricamente que aparecería a bajas temperaturas en un material compuesto por cerio, rutenio y estaño (CeRu4Sn6), antes de que los experimentos verificaran su existencia.
A temperaturas extremadamente bajas, CeRu4Sn6 alcanza un punto de criticidad cuántica, donde el material oscila entre cambios de fase, en condiciones tan frías que las fluctuaciones cuánticas dominan, transformando efectivamente el material en un charco de ondas en lugar de una niebla de partículas.
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Lo sorprendente de este estudio es que la criticidad cuántica puede dar lugar a estados que se creían definidos por las interacciones entre partículas, como el comportamiento de los electrones como portadores de carga discretos.
“Este es un paso fundamental”, afirma el físico Qimiao Si, de la Universidad de Rice en Estados Unidos.
“Nuestro trabajo demuestra que efectos cuánticos potentes pueden combinarse para crear algo totalmente nuevo, lo que podría ayudar a dar forma al futuro de la ciencia cuántica.”
En física, la topología se refiere a la geometría de las estructuras materiales. Ciertos estados topológicos pueden proteger las propiedades de las partículas, a diferencia de cómo las partículas vecinas podrían sacudirlas e interrumpir su comportamiento.
Entender los estados topológicos suele requerir unir propiedades en mapas similares a partículas, algo que un material no se cree que tenga en condiciones de criticidad cuántica.
Tanto la criticidad cuántica como la topología son útiles en los materiales por diferentes razones. Tenerlas en combinación podría dar lugar a una nueva clase de materiales con una gran sensibilidad en sus respuestas cuánticas y una estabilidad fiable.
Cuando los investigadores enfriaron CeRu4Sn6 a cerca del cero absoluto y aplicaron una carga eléctrica, observaron un fenómeno conocido como el efecto Hall en los electrones que transportaban corriente a través del material. Esencialmente, la corriente se dobló hacia un lado.
Según los investigadores, esta fue una señal clara de efectos topológicos. El efecto Hall suele requerir un campo magnético para desviar los electrones, pero en este caso no había ningún campo magnético presente. En cambio, la trayectoria de la corriente estaba siendo moldeada por algo inherente al material.
“Esta fue la clave que nos permitió demostrar sin lugar a dudas que la visión predominante debe ser revisada”, dice la física Silke Bühler-Paschen, de la Universidad Tecnológica de Viena.
Además, los científicos descubrieron que donde el material era más inestable en términos de sus patrones de electrones, ahí era donde el efecto topológico era más fuerte; las fluctuaciones cuánticas críticas en realidad estabilizaron la nueva fase descubierta.
Aún queda mucho trabajo por hacer. Los investigadores quieren ver si este estado cuántico se puede encontrar en otros materiales, para establecer cuán general es.
También quieren examinar más de cerca la topología observada aquí y las condiciones precisas necesarias para que sea posible.
“Los hallazgos abordan una laguna en la física de la materia condensada al demostrar que las fuertes interacciones electrónicas pueden dar lugar a estados topológicos en lugar de destruirlos”, dice Si.
“Además, revelan un nuevo estado cuántico con una importancia práctica sustancial.”
“Saber qué buscar nos permite explorar este fenómeno de manera más sistemática”, añade.
“No es solo una visión 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.
