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Por primera vez se observan estados cuánticos en la superficie de un material poco conocido
Imágenes tomadas por microscopia de efecto túnel y mapas de conductancia en la superficie de un material de fermiones pesados. Foto: nature.com.
Profesor William Javier Herrera, del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la UNAL. Foto: Jeimi Villamizar - Unimedios.
Las pruebas se hicieron en laboratorio con la técnica de microscopia de tunelamiento. Foto: archivo Unimedios.
El profesor Herrera explica que “este hallazgo ayuda a entender cómo se manifiestan estados de la mecánica cuántica a muy baja temperatura en la superficie de un material. En el mundo existe un gran interés por manipular tecnologías cuánticas –como la computación– para entender los estados superconductores, el entrelazamiento de las partículas en dichos materiales y cómo se manifiestan sus propiedades a escala macroscópica, lo que nos permitirá a futuro mejorar nuestro entorno”.
Dichas tecnologías se pueden utilizar para obtener los mejores estándares en los patrones de medida; de hecho en Colombia funciona el Instituto Nacional de Metrología (INM), encargado de ejecutar actividades que aporten innovación y desarrollo económico, científico y tecnológico en el país.
En la mecánica cuántica, las partículas como los electrones tienen propiedades ondulatorias que se asemejan al efecto que ocurre en el agua luego de arrojarle una piedra o cualquier otro objeto, pero que en mecánica cuántica nos dan la probabilidad de encontrar un electrón. A ese comportamiento se le conoce como estado cuántico, y cuando el estado se puede manipular y observar sus efectos a mayor escala, es cuando se habla de tecnologías cuánticas.
“Los estados cuánticos emergentes se pueden observar y en este caso se logró ver directamente el comportamiento ondulatorio de las partículas en la superficie de un material de fermiones pesados en el estado superconductor donde se han observado estados cuantizados, demostrando que los electrones tienen una masa 17 veces superior al que se encuentra en metales sencillos, por eso el nombre de fermiones pesados” explica el profesor Herrera.
"En la UNAL estamos conformando un Centro de Excelencia en tecnologías cuánticas y sus aplicaciones a metrología con investigadores nacionales e internacionales, con el que se pretende construir una red de trabajo en estas temáticas".
El material estudiado presenta una fase que se denomina de ordenamiento oculto, a diferencia de lo que podemos tener en un material común como una fase líquida y sólida, donde la fase sólida es más ordenada, en estos materiales no se conoce a qué se debe la fase oculta y qué tipo de ordenamiento se presenta.
“Aun en la física no se ha entendido muy bien el origen de la superconductividad en los fermiones, y es por eso que se plantean experimentos como este, con los cuales se busca comprender qué es lo que ocurre con este tipo de materiales”, explica el investigador.
“Estos materiales dadas sus complejas propiedades podrían ser candidatos para ser empleados en los futuros computadores cuánticos” complementa Edwin Herrera Vasco, otro de los colombianos que participó en el estudio.
Para la investigación se utilizó un cristal de alta pureza y se partió por la mitad dentro del microscopio para tener una superficie limpia, de manera que quedó de 1 micra (μm), similar al grosor de un cabello humano. El microscopio al estar anclado a un refrigerador con isotopos de helio se obtuvo temperaturas muy bajas, inferiores a 1 kelvin (K), necesarias para ver con mayor claridad los efectos de la mecánica cuántica.
A esa técnica se le conoce como “microscopia de efecto túnel”, y con ella es posible obtener esos resultados al pasar la punta del microscopio por la superficie del material que se asemeja a un escáner. Así se obtienen imágenes a diferentes energías que permiten hacer los análisis de datos.
“Cuando se empieza a analizar la superficie del fermión, se empieza a ver ese comportamiento ondulatorio en los estados. Finalmente con el análisis de datos se pudo interpretar que ese estado estaba emergiendo ahí”, especifica el académico.
Por último, destaca que “nuestros resultados muestran la cuantización en estados colectivos, se estudia en detalle la interacción entre dichos estados y la superconductividad, y proponen una nueva ruta para realizar estados de pozos cuánticos en materiales cuánticos correlacionados y explorar cómo estos se conectan con el entorno”.
