Cristal Triturado Revela Un Estado De Enredo Más Espeluznante

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Se ha descubierto un nuevo estado cuántico en un cristal, que podría producir nuevas formas de electrónica.

Al igual que pares de bailarines giratorios que forman de repente un cuarteto, los "giros" magnéticos de los electrones pueden enredarse en grupos de cuatro, según revela una investigación reciente.

El nuevo estado cuántico, llamado singlete de plaquetas, resuelve una pregunta de larga data sobre la mecánica cuántica, las misteriosas leyes que rigen el comportamiento de las diminutas partículas subatómicas. El trabajo también puede abrir el camino a nuevos tipos de electrónica que van más allá de la lógica binaria de 0 y 1 en todas las computadoras modernas.

En la nueva investigación, el físico Mohamed Zayed, físico de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza, y sus colegas tomaron un trozo de borato de cobre y estroncio, un compuesto similar a los superconductores de alta temperatura, y lo pusieron bajo alta presión mientras se enfriaba. a unos pocos grados por encima del cero absoluto. A medida que aumentaban la presión, encontraron que los electrones en el material entraron en un estado que nadie había visto antes, en el que los giros magnéticos de los electrones se enredaban entre sí en grupos de cuatro. Tal estado había sido predicho, pero en realidad nunca observado. [Los 18 mayores misterios sin resolver en la física]

Tales cambios de estado (llamados cambios de fase) son la base de la electrónica moderna, dijo Zayed. Por ejemplo, los semiconductores funcionan porque se transforman de aisladores a conductores a voltajes específicos, encendiendo y apagando los circuitos. Esta capacidad de cambiar de "on" a "off" crea los 0 y 1 que forman la lógica binaria en el corazón de los cálculos de la computadora.

Si aprovechar una transición de una fase, la de un aislante que se transforma en un conductor, conduce a una tecnología informática binaria, "dominar algunas de esas otras transiciones de fase disponibles podría llevar a tecnologías completamente novedosas difíciles de imaginar en esta etapa", dijo Zayed en una entrevista. correo electrónico a WordsSideKick.com.

Fenómeno de alta presión.

Los científicos ya sabían cómo se comportaba el borato de cobre y estroncio a bajas presiones. El material forma una celosía bidimensional, con todos los electrones dispuestos como un conjunto de baldosas cuadradas. Cada electrón tiene un "giro": se pueden imaginar como pequeños imanes, con el giro descrito como "arriba" o "abajo". (De hecho, el giro es solo una forma matemática de describir los campos magnéticos alrededor del electrón y no es realmente un objeto giratorio).

El comportamiento del electrón está gobernado por la mecánica cuántica, por lo que los giros solo pueden tener valores discretos. Además, las partículas mecánicas cuánticas se pueden enredar: algunas propiedades se pueden vincular para que las partículas se comporten como una sola unidad. En este caso, los pares de espines de los electrones están enredados. [Infografía: Cómo funciona el entrelazamiento cuántico]

Cuando la presión aumenta, la disposición de los electrones se altera ligeramente, porque la distancia entre los electrones cambia. El equipo de EPFL sometió el borato de cobre y estroncio a presiones tan altas como 800,000 libras por pulgada cuadrada (55,000 atmósferas). En aproximadamente 21.500 atmósferas, algo cambió: los espines de los electrones se enredaron en grupos de cuatro en lugar de dos, un estado que se llama un singlete de plaquetas.

Para "ver" el nuevo estado cuántico, los científicos dispararon neutrones a la muestra experimental; los neutrones tienen carga cero, pero sí tienen un campo magnético, y el comportamiento de los neutrones después de que alcanzaron el compuesto de estroncio reveló el estado de enredo de los electrones.

Predecir comportamientos complejos.

Si bien ese estado cuántico en particular se había predicho anteriormente, nadie estaba seguro de que realmente sucedería, dijo el coautor del estudio Henrik Rønnow, un físico cuántico también en la EPFL. Una de las razones es que las matemáticas son difíciles de hacer; Fue una de varias posibilidades.

Los teóricos han calculado el comportamiento de las partículas en entornos unidimensionales (imagina los electrones en una línea recta) y unos pocos bidimensionales. Pero los sistemas 2D multipartículas se vuelven más complejos.

"Es fácil lidiar con dos partículas", dijo Rønnow a WordsSideKick.com. "Pero hacer esos mismos cálculos para más de dos partículas es difícil." Cuando llegas a 20 o 30 partículas, incluso las mejores computadoras se quedarán sin vapor ".

Una teoría llamada el modelo Shastry-Sutherland predice cómo debería comportarse una red 2D de electrones en el compuesto de estroncio; tiene lo que se denomina soluciones exactas siempre que la presión y la temperatura sean relativamente bajas (lo que significa menos de decenas de miles de atmósferas de presión y casi cero absoluto). Las matemáticas eran menos seguras bajo diferentes condiciones, de ahí las pruebas experimentales.

Ahora que saben lo que sucede, dijo Rønnow, es posible refinar las teorías de cómo se comportan las partículas, especialmente en los sistemas de estado sólido. "Abre un campo para un mayor estudio de la comparación de la teoría con el experimento", dijo. "Tuvimos quizás diez teorías diferentes que intentaban predecir lo que sucedería aquí. Ahora los teóricos pueden regresar y decir qué fue lo que salió mal".

El estudio apareció el 17 de julio en la revista Nature Physics.

Publicado originalmente en WordsSideKick.com.


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