Hallazgo permitirá crear tecnología eficiente para la ciencia cuántica

Físicos de la Universidad de Princeton observaron un nuevo efecto cuántico denominado “topología híbrida” en un material cristalino. Este hallazgo abre una nueva gama de posibilidades de desarrollar materiales y tecnologías eficientes para la ciencia y la ingeniería cuánticas de próxima generación, según los investigadores.

Físicos observaron un nuevo efecto denominado “topología híbrida” en un material cristalino.

Fotografía de la Agencia Europa Press

El hallazgo, publicado en Nature, se produjo cuando los científicos descubrieron que un cristal sólido elemental hecho de átomos de arsénico (As) alberga una forma nunca antes observada de comportamiento cuántico topológico. Exploraron y obtuvieron imágenes de este nuevo estado cuántico utilizando un microscopio de efecto túnel (STM) y espectroscopia de fotoemisión, esta última una técnica usada para determinar la energía relativa de los electrones en moléculas y átomos.

Señaló en un comunicado M. Zahid Hasan, profesor e investigador de física y topología cuántica en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación: "Este estado combina, o “hibrida”, dos formas de comportamiento cuántico topológico: estados de borde y de superficie, dos tipos de sistemas cuánticos de electrones bidimensionales. Éstos se han observado en experimentos anteriores, pero nunca simultáneamente en el mismo material en el que se mezclan para formar un nuevo estado de la materia. Este hallazgo fue completamente inesperado. Nadie lo predijo en teoría antes de su observación”.

En los años recientes, el estudio de los estados topológicos de la materia ha atraído considerable atención entre físicos e ingenieros y actualmente es el foco de gran interés e investigación internacional. Esta área de estudio combina la física cuántica con la topología, una rama de las matemáticas teóricas que explora propiedades geométricas que pueden deformarse pero no cambiarse intrínsecamente.

Durante más de una década, los científicos han utilizado aisladores topológicos basados en bismuto (Bi) para demostrar y explorar efectos cuánticos exóticos en sólidos a granel, principalmente mediante la fabricación de materiales compuestos, como la mezcla de (Bi) con selenio (Se), por ejemplo. Sin embargo, con este experimento es la primera vez que se descubren efectos topológicos en cristales hechos de (As).

Explicó Zahid Hasan: “La búsqueda y el descubrimiento de nuevas propiedades topológicas de la materia se han convertido en uno de los tesoros más buscados de la física moderna, tanto desde el punto de vista de la física fundamental como para encontrar aplicaciones potenciales en la ciencia e ingeniería cuánticas de próxima generación. El descubrimiento de este estado topológico creado en un sólido elemental fue posible gracias a múltiples avances experimentales innovadores e instrumentaciones en nuestro laboratorio de Princeton”.

"Un sólido elemental sirve como una valiosa plataforma experimental para probar varios conceptos de topología. Hasta ahora, el bismuto ha sido el único elemento que alberga un rico entramado de topología, lo que ha dado lugar a dos décadas de intensas actividades de investi- gación. Esto se atribuye en parte a la limpieza del material y a la facilidad de síntesis. Sin embargo, el descubrimiento actual de fenómenos topológicos aún más ricos en arsénico potencialmente allanará el camino para nuevas y sostenidas direcciones de investigación".

“Por primera vez, demostramos que, al igual que diferentes fenómenos correlacionados, distintos órdenes topológicos también pueden interactuar y dar lugar a fenómenos cuánticos nuevos e interesantes”.

"Un material topológico es el componente principal usado para investigar los misterios de la topología cuántica. Actúa como aislante en su interior, lo que hace que los electrones de dentro no tengan libertad de movimiento y, por tanto, no conduzcan electricidad".

Fotografía del Microscopio EfectoTúnel, tomado de WorldPress.

Nota: Un microscopio de efecto túnel es un instrumento para tomar imágenes de superficies a nivel atómico. Su desarrollo en 1981 hizo ganar a sus inventores, Gerd Binnig (nacido el 20 Julio 1947) y Heinrich Rohrer (1933 - 2013), el Premio Nobel de Física en 1986.

La espectroscopia de fotoemisión, también conocida como espectroscopia fotoelectrónica, se refiere a la medición de energía de los electrones emitidos por sólidos, líquidos o gases debido al efecto fotoeléctrico, para determinar las energías de enlace de los electrones en una sustancia.

Recordaras aquello clásico de que la materia se podía presentar en alguna de tres formas: sólido, líquido y gaseoso; después se agrego una cuarta forma: plasma, en este estado la materia, muy poco densa, no tiene ni forma ni volumen fijo, es un estado parecido al gas, pero compuesto por átomos ionizados, donde los electrones circulan libremente. Calentando un gas se puede obtener plasma. Concluyendo, ahora sabemos que toda materia está formada por un conjunto de átomos que, a su vez, están constituidos por las llamadas partículas subatómicas: los electrones, los protones y los neutrones, y estos dos últimos por los quarks. Y entonces el panorama se ha venido ampliando, en junio de 2020, científicos de la Estación Espacial Internacional (EEI), lograron sintetizar el condensado de Bose-Einstein (BEC), conocido como el quinto estado de agregación de la materia, ello en condiciones de microgravedad. En condiciones de muy bajas temperaturas, una gran proporción de las partículas alcanza a la vez el nivel más bajo de energía, llamado "Estado Fundamental", en el cual, todos sus átomos están en un solo nivel. Esto significa que todos los átomos son absolutamente iguales. No hay medida que pueda diferenciar uno de otro. Se trata de un estado de coherencia cuántica microscópico. Difícil de imaginar, supongo hasta para el propio Albert Einstein (1879 -1955).

De la etapa en que no se habían descubierto los estados exóticos que

puede tomar la materia en condiciones especiales.

Este diagrama muestra la nomenclatura para diferentes transiciones de fase, su "reversibilidad" y relación con la variación de la "entalpía". Wikipedia. Flanker. penuvag.

El arsénico (33) es un elemento químico que pertenece al grupo de los metaloides, también llamados semimetales; se puede encontrar de diversas formas aunque, raramente, se encuentra en estado sólido. Se conoce desde la antigüedad y se reconoce como extremadamente tóxico. El bismuto (83) es un metal blanco plateado, ya era conocido en la antigüedad, pero hasta mediados del siglo XVIII era confundido con el plomo, estaño y zinc. El selenio (34) es un elemento no metal, ampliamente distribuido en la naturaleza en la mayoría de las rocas y suelos. En forma pura, existe como cristales hexagonales gris metálicos a negros, pero en la naturaleza generalmente está combinado con sulfuro o con minerales de plata, cobre, plomo y níquel.

La materia, dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, se presenta en tres estados o formas de agragación: sólido, líquido y gaseoso, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Ahora bien, en física y química se observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando su temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas que la constituyen. Dependen de las variaciones en las condiciones ambientales como la temperatura y/o la presión. Tomando en cuenta los estados fundamentales de la materia, los cambios de estado de la materia son: solidificación, fusión, vaporización, condensación, sublimación, deposición, ionización y desionización. Que se observan en el gráfico anterior. 

Imagen de un sólido cristalino resolución atómica de titanato de estroncio

 Los átomos más brillantes son del estroncio y los más oscuros son de titanio.

Tomada de wikipedia. Material scientist.

En el asunto de los sólidos cristalinos, se tiene que, las partículas, como son: átomos, moléculas o iones, están empaquetadas en un patrón repetitivo y regularmente ordenado. Hay varias estructuras cristalinas diferentes, y una misma sustancia puede tener más de una estructura, o fase sólida. Por ejemplo, el hierro (26) tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperaturas inferiores a 912 °C (1674 °F), y una estructura cúbica centrada en la cara entre 912 y 1394 °C (2541 °F). En el hielo, una materia profundamente estudiado, se sabe presenta quince estructuras cristalinas conocidas, o quince fases sólidas, que existen a distintas temperaturas y presiones. Agregando los aspectos cuánticos, se abarcan espacios no imaginados hasta muy recientes fechas.