Quantum Dropleton: Extrañas Nuevas Partículas Actúan Como Un Líquido

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Los físicos han creado una nueva quasipartícula llamada gotita o gotita cuántica, que actúa como un líquido y podría ayudar a sondear el mundo cuántico.

Los físicos pueden pasar años buscando nuevas partículas para iluminar aspectos de las leyes de la naturaleza, pero un equipo internacional decidió crear sus propias partículas.

Llamada gotita o gota cuántica, la "partícula" recién creada es en realidad un grupo de electrones de corta duración y cargas positivas llamadas "agujeros". Al igual que otras llamadas cuasipartículas, las gotitas actúan como partículas individuales.

En la Universidad Philipps de Marburg, Alemania, y en el Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio de la Universidad de Colorado, los investigadores hicieron una aglomeración de electrones y agujeros que era más grande que cualquier otro creado anteriormente: 200 nanómetros, o mil millonésimas de metro de diámetro. Eso es casi lo suficientemente grande como para verlo con un buen microscopio, aproximadamente el 50% del grosor de una fibra de algodón. Antes de ahora, los físicos habían creado grupos de electrones y huecos de dos pares, pero nunca una aglomeración que pudiera formar esta gota o gotita cuántica de tipo líquido. [Física loca: las pequeñas partículas más frescas de la naturaleza]

Estos dropletons se comportan de acuerdo con las reglas de la física cuántica, y eso significa que los científicos pueden usar las partículas para investigar cómo la luz interactúa con la materia, un proceso también regido por reglas cuánticas.

Debido a que los dropletones son tan grandes, en términos de partículas, también podrían ayudar a los físicos a ubicar los límites entre el mundo cuántico del muy pequeño y el mundo clásico de la escala humana, informan los físicos en la edición del 27 de febrero de la revista Nature.

Haciendo un dropleton

Un Dropleton es un nuevo tipo de agrupación estable de partículas en sólidos, formada dentro de una pequeña burbuja de correlación (gotas). Esta gota de partículas de tipo líquido es creada por la luz y su energía (dirección horizontal) tiene una dependencia cuantificada de la intensidad de la luz (dirección vertical).

Un Dropleton es un nuevo tipo de agrupación estable de partículas en sólidos, formada dentro de una pequeña burbuja de correlación (gotas). Esta gota de partículas de tipo líquido es creada por la luz y su energía (dirección horizontal) tiene una dependencia cuantificada de la intensidad de la luz (dirección vertical).

Crédito: Brad Baxley

Para hacer el dropleton, Mackillo Kira, profesor de física en la Universidad Philipps, y sus colegas en el Instituto Conjunto de Astrofísica de Laboratorio en Colorado dispararon pulsos rápidos de un láser extremadamente potente contra un bloque de arseniuro de galio, el mismo material usado en la luz roja. Diodos emisores (LEDs). Cada pulso duró menos de 100 femtosegundos, o mil millonésimas de mil millonésima de segundo. Cuando la luz incidió en el arseniuro de galio, los átomos liberaron, o excitaron, los electrones, que se movían en el arseniuro de galio como un gas o plasma. Cuando los electrones con carga negativa salieron de sus lugares alrededor de los átomos, dejaron atrás regiones de carga positiva llamadas agujeros.

"En cierto sentido, [los dropletones] son ​​partículas cuyas propiedades están determinadas en gran medida por el entorno, lo que las hace tan emocionantes", dijo Kira a WordsSideKick.com en un correo electrónico. Por ejemplo, los semiconductores funcionan mejor, dijo Kira, porque la forma en que están ordenados sus electrones hace que sea más fácil excitarlos.

Dado que el dropleton es una partícula artificial, que contiene varios electrones, actúa como un electrón de gran tamaño. Esa propiedad significa que los físicos esencialmente podrían modificar el tamaño de un electrón para experimentos. "Esto nos permite diseñar... una masa hecha por el hombre para un electrón en lugar de la constante universal medida en el espacio libre", dijo Kira a WordsSideKick.com en un correo electrónico.

Dos por dos

De todas las partículas de orificio de electrones que se han creado, esta es la primera en tener suficientes pares para formar una gota similar a un líquido. [Esculturas líquidas: Fotografías deslumbrantes de gotitas que caen]

Los electrones y los agujeros, que tienen cargas opuestas, tienden a formar pares, llamados excitones. Estos pares son familiares para cualquiera que haya usado algunos tipos de paneles solares, que emplean materiales especiales para separar los pares de agujeros de electrones, liberando electrones y generando corriente.

Sin embargo, los excitones en este experimento fueron mucho más enérgicos. Tenían tanta energía que se agrupaban en grupos como si fueran gotas de agua que se aferraban. En ese momento, ya no eran excitones enlazados en pares, eran gotitas.

Los electrones, no unidos a agujeros individuales, formaban una especie de patrón de onda estacionaria alrededor de ellos. Es similar a los patrones que hacen las moléculas comunes en los líquidos (piense en una piedra lanzada al agua y el patrón de ondulación creado), dijo Kira.

Los dropletons no duran mucho, solo 25 picosegundos, o trilliones de un segundo. Pero eso es realmente un tiempo relativamente largo en términos de procesos cuánticos físicos.

Kira agregó que el trabajo sugiere varios experimentos interesantes. Por ejemplo, los fotones que excitan los electrones para formar gotitas se enredan con los pares de excitones individuales. Eso significa que es posible estudiar tales interacciones, un área de investigación en curso.

Además, debido a que los dropletones se enredan con los fotones utilizados para hacer las cuasipartículas, los físicos pueden usarlos para estudiar el almacenamiento de estados cuánticos, lo que es potencialmente útil para diseñar dispositivos de comunicaciones basados ​​en cuánticos en los cuales dichos estados sirven como bits de información.

"La comprensión física básica obtenida de estos estudios puede mejorar nuestra capacidad para diseñar racionalmente dispositivos optoelectrónicos", como los equipos de comunicaciones de fibra óptica, dijo.

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