¿Cómo pueden los datos moverse a velocidades o corrientes increíbles sin desperdiciar energía? Las respuestas a estas preguntas han empujado a los científicos y a las empresas de tecnología hacia los materiales cuánticos, cuyo comportamiento está gobernado por la física en la escala más pequeña. La creación de estos materiales avanzados depende de comprender cómo se comportan los átomos y los electrones, un área donde persisten muchos misterios.
Ahora, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en colaboración con colegas de la Universidad de Salerno y el Instituto CNR-SPIN (Italia), han logrado un avance significativo. Han identificado una característica geométrica nunca antes vista dentro de un material cuántico que cambia la forma en que se mueven los electrones, como la gravedad curva la luz. Resultados, publicados cienciaapuntan a nuevas posibilidades para la electrónica cuántica de próxima generación.
¿Por qué son importantes los elementos cuánticos?
Las tecnologías modernas se basan en materiales con un rendimiento extraordinario, muchos de los cuales derivan de la física cuántica. Este campo se centra en la materia a escala microscópica, donde las partículas se comportan de formas sorprendentes. En el siglo pasado, la investigación sobre átomos, electrones y fotones condujo a la invención de los transistores y la base de las computadoras actuales.
Incluso ahora, los científicos continúan descubriendo efectos cuánticos que desafían las teorías establecidas. Investigaciones recientes sugieren que cuando una gran cantidad de partículas interactúan dentro de ciertos materiales, puede surgir un tipo de geometría interna. Esta estructura puede redirigir el movimiento de los electrones, de forma análoga a cómo la teoría de la gravedad de Einstein describe la curvatura de la luz.
De los conceptos matemáticos a la realidad medida
Esta estructura interna se conoce como métrica cuántica. Describe la curvatura del espacio cuántico a través del cual viajan los electrones y afecta muchas propiedades microscópicas de la materia. A pesar de su importancia, demostrar su existencia experimentalmente ha sido extremadamente difícil.
”La idea de la métrica cuántica se remonta a casi 20 años, pero durante mucho tiempo se consideró una construcción puramente teórica. Sólo en los últimos años los científicos han comenzado a explorar sus efectos prácticos sobre las propiedades de la materia”, explica Andrea Caviglia, profesora titular y directora del Departamento de Física Cuántica de la Materia de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.
Detectando una geometría oculta en materiales cuánticos
En el nuevo estudio, el equipo de investigación dirigido por UNIGE, junto con Carmine Ortix, profesor asociado de Física de la Universidad de Salerno, detectó métricas cuánticas en el límite entre dos elementos de óxido, el titanato de estroncio y el aluminato de lantano. Ya se sabe que esta interfaz es una poderosa plataforma para estudiar el comportamiento cuántico.
“Su presencia puede revelarse observando cómo las trayectorias de los electrones se distorsionan por el efecto combinado de la métrica cuántica y los fuertes campos magnéticos”, explica Giacomo Sala, investigador asociado del Departamento de Física Cuántica de la Materia de la Facultad de Ciencias de UNIGE y autor principal del estudio.
Implicaciones para las tecnologías futuras
Poder observar este efecto permite a los científicos medir con mayor precisión las propiedades ópticas, electrónicas y de transporte de un material. El equipo también descubrió que la métrica cuántica es una propiedad fundamental de muchos materiales, en lugar de una rara excepción como se creía anteriormente.
“Estos descubrimientos abren nuevas vías para explorar y utilizar la geometría cuántica en una amplia gama de materiales, con importantes implicaciones para la electrónica futura en frecuencias de terahercios (un billón de hercios), así como para la superconductividad y las interacciones entre la luz y la materia”, concluye Andrea Caviglia.
