Ha aparecido un estado cuántico de la materia en un material donde los físicos pensaban que sería imposible, lo que obliga a repensar las condiciones que rigen el comportamiento de los electrones en ciertos materiales. El descubrimiento, realizado por un equipo internacional de investigadores, podría impulsar avances en la computación cuántica, mejorar la eficiencia electrónica y optimizar la detección y la obtención de imágenes.
Se predijo teóricamente que el estado, descrito como una fase semimetálica topológica, aparecería a bajas temperaturas en un material compuesto de cerio, rutenio y estaño (CeRu4Sn6), antes de que los experimentos verificaran su existencia. A temperaturas extremadamente bajas, CeRu4Sn6 alcanza la criticidad cuántica, un punto en el que un material se tambalea entre cambios en su fase, donde las condiciones son tan frías que dominan las fluctuaciones cuánticas, convirtiendo efectivamente el material en un charco de ondas en lugar de una niebla de partículas. El giro de la trama de este estudio es que la criticidad cuántica puede dar lugar a estados que se cree que están definidos por interacciones entre partículas, como el comportamiento de los electrones como portadores de carga discretos.
“Este es un paso fundamental hacia adelante”, afirma el físico Qimiao Si, de la Universidad Rice en Estados Unidos.
“Nuestro trabajo demuestra que los poderosos efectos cuánticos pueden combinarse para crear algo completamente nuevo, lo que puede ayudar a dar forma al futuro de la ciencia cuántica”.
En física, la topología se refiere a la geometría de las estructuras materiales. Los estados topológicos particulares pueden proteger las propiedades de las partículas, a diferencia de cómo las partículas vecinas podrían chocar y perturbar el comportamiento de las demás. Para comprender los estados topológicos generalmente es necesario unir propiedades para formar mapas similares a partículas, algo que no se cree que un material tenga en condiciones de criticidad cuántica.
Tanto la criticidad cuántica como la topología son útiles en los materiales por diferentes razones. Su combinación podría dar lugar a una nueva clase de materiales con una gran sensibilidad en sus respuestas cuánticas y una estabilidad fiable.
Cuando los investigadores enfriaron CeRu₄Sn₄ al cero absoluto y aplicaron una carga eléctrica, observaron un fenómeno conocido como efecto Hall en los electrones que transportaban corriente a través del material. En esencia, la corriente se desviaba lateralmente.
Según los investigadores, esto era una clara señal de efectos topológicos. El efecto Hall suele requerir un campo magnético para desviar los electrones, pero en este caso no existía campo magnético. En cambio, la trayectoria de la corriente estaba determinada por algo inherente al material.
“Este fue el descubrimiento clave que nos permitió demostrar más allá de toda duda que la visión predominante debe ser revisada”, dice la física Silke Bühler-Paschen de la Universidad Tecnológica de Viena.
Es más, los científicos descubrieron que donde el material era más inestable en términos de sus patrones electrónicos, allí era donde el efecto topológico era más fuerte; las fluctuaciones críticas cuánticas en realidad estabilizaron la fase recién descubierta. Hay mucho más trabajo por hacer. Los investigadores quieren comprobar si este estado cuántico se puede encontrar en otros materiales para determinar su grado de generalidad. También quieren estudiar más de cerca la topología observada aquí y las condiciones precisas necesarias para hacerla posible.
“Los hallazgos abordan una laguna en la física de la materia condensada al demostrar que las interacciones electrónicas fuertes pueden dar lugar a estados topológicos en lugar de destruirlos”, afirma Si.
“Además, revelan un nuevo estado cuántico con sustancial importancia práctica”.
“Saber qué buscar nos permite explorar este fenómeno de forma más sistemática”, añade.
“No es sólo una idea teórica, es un paso hacia el desarrollo de tecnologías reales que aprovechan los principios más profundos de la física cuántica”.
La investigación ha sido publicada en Nature Physics.
Fuente: Science Alert.