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
LEER MÁS
