Investigadores de la Universidad McGill han desarrollado un nuevo dispositivo cuántico que produce pequeñas partículas parecidas a sonidos llamadas fonones a temperaturas justo por encima del cero absoluto. El avance podría ayudar a allanar el camino para los láseres de fonones, una tecnología con usos potenciales en comunicaciones, diagnóstico médico y detección avanzada.
“La comunicación moderna se basa en gran medida en la luz con ondas electromagnéticas y corrientes eléctricas. El sonido puede viajar a través de un medio como el océano, donde la luz y las corrientes eléctricas no pueden”, dijo Michael Hillke, profesor asociado de física y coautor del estudio. “En el cuerpo humano, las ondas sonoras también pueden ser una herramienta útil”.
El dispositivo fue diseñado y probado por investigadores de la Universidad McGill y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, mientras que el material utilizado en el dispositivo fue sintetizado en la Universidad de Princeton.
¿A qué velocidad producen los electrones ruido cuántico?
El equipo construyó el dispositivo utilizando un cristal bidimensional que confina los electrones en un canal de sólo unos pocos átomos de ancho. Cuando una corriente eléctrica empuja a los electrones a través de este camino ultradelgado a alta velocidad, los electrones liberan su exceso de energía en forma de ráfagas de vibraciones parecidas a sonidos conocidas como fonones.
Los investigadores descubrieron que estos fonones pueden convertirse en patrones predecibles y controlables, un paso importante hacia dispositivos prácticos que dependen de la manipulación precisa del sonido a nivel cuántico.
El enfriamiento desbloquea un comportamiento cuántico inusual
Los experimentos se realizaron a temperaturas que oscilaban entre aproximadamente 10 mili-Kelvin y 3,9 Kelvin. A estas temperaturas extremadamente bajas, los electrones se comportan de una manera mucho más ordenada, lo que facilita la observación de fenómenos cuánticos, donde la materia se comporta como ondas en lugar de partículas ordinarias.
“A una temperatura del cero absoluto, es decir, el mundo de la física cuántica, no se produce sonido a menos que los electrones viajen colectivamente a la velocidad del sonido o por encima de ella”, explica Hillke. “Trabajos anteriores observaron efectos relacionados a medida que el movimiento de los electrones se acerca a la barrera del sonido. Nuestro estudio lleva el sistema más allá de ese punto y muestra que las teorías existentes deben ser reevaluadas considerando que los electrones pueden calentarse mucho incluso cuando el cristal anfitrión está cerca de la temperatura del cero absoluto”.
Hacia una comunicación rápida y una tecnología médica
La siguiente fase de la investigación investigará la construcción del dispositivo a partir de otros materiales, incluido el grafeno, que podría permitirle funcionar a velocidades más altas.
Según Hillock, las versiones futuras de la tecnología podrían contribuir a sistemas de comunicación más rápidos, equipos de detección más sensibles, métodos mejorados para estudiar materiales biológicos y tecnología médica mejorada.
“Los fonones son difíciles de crear y utilizar de forma controlada, por lo que estamos explorando nuevas reglas. A un nivel más amplio, se trata de cómo las corrientes eléctricas y la energía cambian y se transforman dentro de materiales electrónicos avanzados”.
Detalles del estudio
Se publican los resultados carta de revisión física Título en un papel “Emisión de magnetofónones resonantes por electrones supersónicos en sistemas bidimensionales de ultra alta movilidad”. Por Michael Hillock et al.
La investigación fue financiada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá y el Fonds de Recherche du Québec – Nature et Technologie.
