Escondrijos Escondidos De Los Electrones Fotografiados Por Primera Vez

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Por primera vez, los físicos han fotografiado los niveles de landau, los diminutos círculos cuánticos en los que viajan los electrones cuando se exponen a fuertes campos magnéticos.

Por primera vez, los científicos han observado el nivel de un solo electrón y han observado estados cuánticos que solo se habían teorizado anteriormente.

Los investigadores fotografiaron las órbitas magnéticas de los electrones llamados niveles de Landau, que fueron predichos en 1930 por el ganador del Premio Nobel Lev Landau. Estas órbitas representan las trayectorias curvas que recorren los electrones cuando se exponen a campos magnéticos muy fuertes.

Anteriormente, los científicos habían confirmado que los niveles existen al medir los cambios en la corriente eléctrica que se producen cuando los electrones cambian de un nivel de Landau a otro. Sin embargo, nadie ha podido ver estos niveles hasta ahora.

"Somos los primeros en hacer realmente lo que se llama microscopía de exploración de túneles y realmente observamos estados individuales", dijo el físico Rudolf Roemer, de la Universidad de Warwick de Inglaterra. Roemer fue miembro del equipo de investigación, dirigido por Koichi Hashimoto, de la Universidad Tohoku de Japón, que informó sobre el logro en un artículo publicado en la edición del 14 de septiembre de la revista Physical Review Letters.

Círculos más pequeños

Cuando las partículas cargadas, como los electrones, se colocan dentro de un campo magnético, viajan a lo largo de caminos curvos, haciendo un círculo. A medida que el campo magnético se vuelve más y más fuerte, estos círculos se hacen cada vez más pequeños. Los círculos más pequeños posibles para que viajen los electrones son los niveles de Landau. [Pequeña grandeza: fotos impresionantes de los muy pequeños]

Para visualizar estos niveles, los físicos observaron electrones en la superficie de un material semiconductor. Luego utilizaron la espectroscopia de exploración de túneles para buscar las posibles ubicaciones de los electrones.

Esta técnica muestra una muestra al permitir que los electrones intenten pasar a ella en diferentes ubicaciones. Si la ubicación contiene un estado factible para un electrón, la partícula podrá saltar a ese estado a través de un proceso llamado tunelización, confirmando que existe; Si la ubicación no tiene un estado potencial de electrones, no hay ningún lugar para que el electrón se conecte. En la imagen resultante, las áreas claras representan las ubicaciones de los estados posibles, mientras que los puntos negros muestran la falta de estados de electrones.

Las imágenes producidas por Hashimoto y su equipo parecen notablemente como simulaciones teóricas predijeron que lo harían.

"Tenía muchas esperanzas de que saliera así, y por supuesto nos sorprendió que el acuerdo fuera tan bueno", dijo Roemer a WordsSideKick.com. "El acuerdo es incluso cuantitativamente tan bueno".

Tales imágenes nunca fueron posibles de hacer antes porque la exploración por espectroscopía de túnel nunca ha sido tan avanzada. Cada píxel en las imágenes del equipo representa más de media hora de toma de datos, dijo Roemer.

"Realmente tienes que tener una muy buena configuración experimental, y tienes que tener mucho tiempo", dijo.

Esto muestra el nivel 1 de Landau simulado numéricamente, que coincide notablemente con la primera imagen experimental de nivel 1 de Landau informada en septiembre de 2012.

Esto muestra el nivel 1 de Landau simulado numéricamente, que coincide notablemente con la primera imagen experimental de nivel 1 de Landau informada en septiembre de 2012.

Crédito: Universidad de Warwick

Redefiniendo el kilogramo

Y los niveles de Landau no son solo una curiosidad esotérica. Podrían ponerse en práctica para ayudar a redefinir el kilogramo, la unidad fundamental de masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Si bien la mayoría de las unidades SI están definidas por relaciones entre constantes fundamentales que pueden reproducirse en cualquier lugar para obtener el valor correcto, el kilogramo se define actualmente por un trozo de metal del tamaño de una pelota de golf guardado en una bóveda en Francia.

Los científicos quieren cambiar eso definiendo el kilogramo en términos del peso que tomaría contrarrestar una fuerza electromagnética producida por una bobina magnética. La fuerza de esta fuerza depende en parte de la constante de von Klitzing, que a su vez está vinculada a los niveles de Landau.

"La creación de imágenes de los niveles de Landau no ayuda a establecer el equilibrio, pero refuerza la comprensión de la teoría subyacente que tenemos, que la constante de von Klitzing es una constante universal y nos dice que es realmente cierto", dijo Roemer. "Podemos mirar estos estados y encontrarlos realmente allí".

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