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Interruptor magnético que controla rara propiedad cuántica

El primer interruptor que enciende y apaga un misterioso comportamiento cuántico, podría conducir a nuevos dispositivos electrónicos conformes a esta teoría de la Física.

Interruptor magnético que controla rara propiedad cuántica


Cuando una bailarina hace piruetas girando una vuelta completa, parece igual que cuando empezó, pero para los electrones y otras partículas subatómicas que siguen las reglas de la teoría cuántica, eso no es necesariamente así. Cuando un electrón se mueve alrededor de un camino cerrado, terminando donde comenzó, su estado físico puede o no ser el mismo que cuando se fue.

Para estudiar esta propiedad cuántica, el físico y miembro del NIST (National Institute of Standards and Technology) Joseph A. Stroscio y sus colegas estudiaron electrones acorralados en órbitas especiales dentro de una región de grafeno de tamaño nanométrico, una capa ultrafuerte de una sola capa de átomos de carbono apretados. Los electrones acorralados orbitan el centro de la muestra del grafeno mientras que los electrones orbitan el centro de un átomo.

Los electrones en órbita normalmente conservan las mismas propiedades físicas exactas después de recorrer un circuito completo en el grafeno, pero cuando un campo magnético aplicado alcanza un valor crítico, actúa como un interruptor, alterando la forma de las órbitas y haciendo que los electrones posean diferentes propiedades físicas después de completar un circuito completo, según informan los investigadores en un artículo que se publica en ‘Science’.

El nuevo interruptor cuántico se basa en una propiedad geométrica llamada la fase de Berry, nombrada así por el físico inglés Sir Michael Berry, que desarrolló la teoría de este fenómeno cuántico en 1983. La fase de Berry se asocia con la función de onda de una partícula, que en la teoría cuántica describe el estado físico de una partícula. La función de onda –similar a una ola oceánica– tiene una amplitud (la altura de la ola) y una fase –la localización de un pico o valle con respecto al inicio del ciclo de onda–.

Cuando un electrón hace un circuito completo alrededor de un bucle cerrado para volver a su ubicación inicial, la fase de su función de onda puede cambiar en lugar de volver a su valor original. Este cambio de fase, la fase de Berry, es una especie de memoria del viaje de un sistema cuántico y no depende del tiempo, sino sólo de la geometría del sistema: la forma del camino. Además, el cambio tiene consecuencias observables en una amplia gama de sistemas cuánticos.

Un repentino aumento de energía para los electrones

Aunque la fase de Berry es un fenómeno puramente cuántico, tiene un análogo en sistemas no cuánticos. Considerando el movimiento de un péndulo de Foucault, que se utilizó para demostrar la rotación de la Tierra en el siglo XIX; el péndulo suspendido simplemente oscila y retrocede en el mismo plano vertical, pero parece girar lentamente durante cada oscilación –una especie de cambio de fase– debido a la rotación de la Tierra debajo de ella.

Desde mediados de los años 80, los experimentos han demostrado que varios tipos de sistemas cuánticos tienen una fase de Berry asociada con ellos. Pero hasta el estudio actual, nadie había construido un interruptor que pudiera activar y desactivar la fase de Berry a voluntad. El cambio desarrollado por el equipo, controlado por un pequeño cambio en un campo magnético aplicado, da a los electrones un repentino y gran aumento de energía.

Varios miembros del actual equipo de investigación, del el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, desarrollaron la teoría para el interruptor de fase de Berry. Para estudiar la fase de Berry y crear el interruptor, el miembro del equipo de NIST Fereshte Ghahari construyó un dispositivo de grafeno de alta calidad para estudiar los niveles de energía y la fase de Berry de los electrones acorralados dentro del grafeno.

Primero, el equipo confinó los electrones para ocupar ciertas órbitas y niveles de energía. Para mantener los electrones encerrados, el miembro del equipo Daniel Walkup creó una versión cuántica de una cerca eléctrica mediante el uso de impurezas ionizadas en la capa aislante debajo del grafeno. Esto permitió un microscopio de exploración de túnel en NIST’s nanotechnology user facility, el Centro de Nanoescala Ciencia y Tecnología, para investigar los niveles de energía cuántica y Berry fase de los electrones confinados.

A continuación, el equipo aplicó un campo magnético débil dirigido hacia la lámina de grafeno. Para los electrones moviéndose en el sentido de las agujas del reloj, el campo magnético creó órbitas más y más compactas; pero para los electrones moviéndose en órbitas en sentido contrario a las agujas del reloj, el campo magnético tuvo el efecto opuesto, tirando de los electrones hacia órbitas más amplias.

En una intensidad de campo magnético crítico, el campo actuó como un interruptor de la fase de Berry. Giró las órbitas de los electrones en sentido contrario a las agujas del reloj, haciendo que las partículas cargadas ejecutaran piruetas en el sentido de las agujas del reloj cerca del límite de la cerca eléctrica.

Normalmente, estas piruetas tendrían poca consecuencia. Sin embargo, el miembro del equipo Christopher Gutiérrez dice en un comunicado que “los electrones en el grafeno poseen una fase especial de Berry, que se enciende cuando se activan las piruetas inducidas magnéticamente”. Cuando la fase de Berry se enciende, los electrones orbitantes saltan abruptamente a un nivel de energía más alto.

El interruptor cuántico proporciona una rica caja de herramientas científicas que ayudarán a los investigadores a explotar ideas para nuevos dispositivos cuánticos, que no tienen ningún análogo en los sistemas de semiconductores convencionales, según concluye Stroscio.

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