sábado, 26 de enero de 2019

LAS “ATMÓSFERAS CUÁNTICAS” PUEDEN REVELAR SECRETOS DE LA MATERIA


Una nueva teoría propone que las propiedades cuánticas de un objeto se extiendan a una "atmósfera" que rodea al material.


Los diamantes pueden ser capaces de sondear las atmósferas cuánticas de materiales interesantes.
En los últimos años, algunos materiales han demostrado ser un campo de juego para los físicos. 
Estos materiales no están hechos de nada especial, solo partículas normales como protones, neutrones y electrones. Pero son más que la suma de sus partes. 
Estos materiales cuentan con una variedad de propiedades y fenómenos notables, e incluso han llevado a los físicos a nuevas fases de la materia, más allá de las fases sólidas, gaseosas y líquidas con las que estamos más familiarizados.

Una clase de material que entusiasma especialmente a los físicos es el aislante topológico y, más ampliamente, las fases topológicas, cuyos fundamentos teóricos hicieron que sus descubridores obtuvieran el Premio Nobel en 2016.

En la superficie de un aislante topológico, los electrones fluyen suavemente, mientras que, en el interior, los electrones están inmóviles. Su superficie es, por lo tanto, un conductor similar al metal, pero su interior es un aislante similar a la cerámica. 
Los aisladores topológicos han llamado la atención por su inusual física, así como por su uso potencial en computadoras cuánticas y los llamados dispositivos espintrónicos, que utilizan los giros de los electrones y su carga.

Pero tales comportamientos exóticos no siempre son obvios. "No se puede decir fácilmente mirando el material de manera convencional si tiene este tipo de propiedades", dijo Frank Wilczek , físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y ganador del Premio Nobel de Física de 2004.“Esto significa que una gran cantidad de materiales aparentemente ordinarios pueden albergar propiedades ocultas, aunque inusuales y posiblemente útiles”. 
En un artículo publicado recientemente en línea , Wilczek y Qing-Dong Jiang , físico de la Universidad de Estocolmo, proponen una nueva forma de descubrir esas propiedades: sondeando un aura delgada que rodea el material, algo que han denominado una atmósfera cuántica.

Algunas de las propiedades cuánticas fundamentales de un material podrían manifestarse en esta atmósfera, que los físicos podrían medir. “Si se confirma en experimentos, este fenómeno no solo sería una de las pocas consecuencias macroscópicas de la mecánica cuántica”, dijo Wilczek, “sino que también podría ser una herramienta poderosa para explorar una variedad de nuevos materiales”.

"Si me hubieran preguntado si algo así podría ocurrir, hubiera dicho que parece una idea razonable", dijo Taylor Hughes , un teórico de la materia condensada en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign. Pero, agregó, "me imagino que el efecto es muy pequeño".
Sin embargo, en el nuevo análisis, Jiang y Wilczek calcularon que, en principio, un efecto atmosférico cuántico estaría dentro del rango de detectabilidad.
No solo eso, dijo Wilczek, sino que la detección de tales efectos puede lograrse más pronto que tarde”.

Una zona de influencia
“Una atmósfera cuántica, explicó Wilczek, es una delgada zona de influencia alrededor de un material”. “Según la mecánica cuántica, un vacío no está completamente vacío; más bien, está lleno de fluctuaciones cuántica; por ejemplo, si toma dos placas sin carga y las junta en un vacío, solo las fluctuaciones cuánticas con longitudes de onda más cortas que la distancia entre las placas pueden apretarse entre ellas”.
“Fuera de las placas, sin embargo, pueden caber fluctuaciones de todas las longitudes de onda. La energía en el exterior será mayor que en el interior, lo que resultará en una fuerza neta que empujará las placas juntas, es el llamado efecto Casimir, este fenómeno es similar a la influencia de una atmósfera cuántica”, dijo Wilczek.

Al igual que una placa siente una fuerza más fuerte a medida que se acerca a otra, una sonda parecida a una aguja sentiría un efecto de la atmósfera cuántica cuando se aproxima a un material. 
"Es como cualquier ambiente", dijo Wilczek. "Te acercas a ella y empiezas a ver su influencia". Y la naturaleza de esa influencia depende de las propiedades cuánticas del material en sí.


El antimonio puede comportarse como un aislante topológico, un material que actúa como un aislante en cualquier parte, excepto en su superficie.

Esas propiedades pueden ser extraordinarias. Ciertos materiales actúan como sus propios universos con sus propias leyes físicas, como si comprendieran lo que recientemente se llamó un multiverso de materiales .
"Una idea muy importante en la física moderna de materia condensada es que estamos en posesión de estos materiales, por ejemplo, un aislante topológico, que tienen diferentes conjuntos de reglas", dijo Peter Armitage , un físico de materia condensada en la Universidad Johns Hopkins.

Algunos materiales, por ejemplo, albergan objetos que actúan como monopolos magnéticos , imanes con forma de puntos con un polo norte pero sin polo sur. 
Los físicos también han detectado las llamadas cuasipartículas con carga eléctrica fraccionaria y cuasipartículas que actúan como su propia antimateria , con la capacidad de aniquilarse a sí mismos.
"Parecen muy inocentes, pero de alguna manera se han estado escondiendo en secreto".
Si existen propiedades exóticas similares en otros materiales, podrían revelarse en atmósferas cuánticas. En principio, podría descubrir todo tipo de propiedades nuevas simplemente explorando las atmósferas de los materiales”, dijo Wilczek.

Para demostrar su idea, Jiang y Wilczek se centraron en un conjunto de reglas poco ortodoxas llamadas electrodinámica del axión , que podrían dar lugar a propiedades únicas. 
Wilczek ideó la teoría en 1987 para describir cómo una partícula hipotética llamada axióninteractuaría con la electricidad y el magnetismo. (Los físicos habían propuesto previamente el axión como una solución a una de las preguntas sin resolver más grandes de la física: por qué las interacciones que involucran la fuerza fuerte son las mismas incluso cuando las partículas se intercambian con sus antipartículas y se reflejan en un espejo, preservando la llamada simetría de carga y paridad).

Hasta el día de hoy, nadie ha encontrado evidencia de que existan axiones, a pesar de que recientemente han ganado un interés renovado como candidato para la materia oscura.

Si bien estas reglas no parecen ser válidas en la mayor parte del universo, resulta que pueden entrar en juego dentro de un material como un aislante topológico. "La forma en que los campos electromagnéticos interactúan con estos nuevos tipos de materia llamados aislantes topológicos es básicamente la misma forma en que interactuarían con una colección de axiones", dijo Wilczek.

Defectos de diamante
Si un material como un aislante topológico obedece a la electrodinámica del axión, su atmósfera cuántica podría inducir un efecto revelador sobre cualquier cosa que se cruce hacia la atmósfera.

Jiang y Wilczek calcularon que tal efecto sería similar al de un campo magnético. En particular, encontraron que, si se colocara algún sistema de átomos o moléculas en la atmósfera, sus niveles de energía cuántica se alterarían. 
Un investigador podría medir estos niveles alterados utilizando técnicas de laboratorio estándar. "Es una idea poco convencional pero bastante interesante", dijo Armitage.

Frank Wilczek, un físico del MIT, tomó prestado de su trabajo sobre los axiones para desarrollar la teoría de las atmósferas cuánticas.

Uno de estos sistemas potenciales es una sonda de diamante con características denominadas centros de vacío de nitrógeno (NV). 
Un centro de NV es un tipo de defecto en la estructura cristalina de un diamante donde algunos de los átomos de carbono del diamante se intercambian por átomos de nitrógeno, y donde el punto adyacente al nitrógeno está vacío. 

El estado cuántico de este sistema es altamente sensible, lo que permite que los centros NV detecten incluso campos magnéticos muy débiles.
Esta propiedad los convierte en sensores potentes que se pueden usar para una variedad de aplicaciones en geología y biología.
"Esta es una buena prueba de principio", dijo Hughes. “Una aplicación”, agregó, “podría mapear las propiedades de un material. Al pasar un centro de NV a través de un material como un aislante topológico, puede determinar cómo sus propiedades pueden variar a lo largo de la superficie”.

El artículo de Jiang y Wilczek, que han enviado a Physical Review Letters, detalla solo la influencia atmosférica cuántica derivada de la electrodinámica del axión. “Para determinar cómo otros tipos de propiedades afectan una atmósfera, dijo Wilczek, tendrías que hacer diferentes cálculos”.

Rompiendo simetrías
Fundamentalmente, las propiedades que desenmascaran las atmósferas cuánticas son las simetrías.
Las diferentes fases de la materia, y las propiedades únicas de una fase, pueden considerarse en términos de simetría.

En un cristal sólido, por ejemplo, los átomos están dispuestos en una red simétrica que se desplaza o gira para formar un patrón de cristal idéntico. Sin embargo, cuando se aplica calor, los enlaces se rompen, la estructura reticular se colapsa y el material, ahora un líquido con propiedades marcadamente diferentes, pierde su simetría.

Los materiales pueden romper otras simetrías fundamentales, como la simetría de inversión temporal que obedecen a la mayoría de las leyes de la física. O los fenómenos pueden ser diferentes cuando se miran en el espejo, una violación de la simetría de paridad.
Fuente QUANTA Magazine [Física Cuántica]

Traducción libre de Soca


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