Un nuevo estudio dirigido por Qimiao Si de la Universidad Rice ha revelado una nueva clase de metal cuántico crítico, que arroja luz sobre las complejas interacciones de los electrones dentro de los materiales cuánticos. Publicado en cartas de examen fisico El 6 de septiembre, una investigación explora los efectos del acoplamiento de Kondo y los líquidos de espín quirales dentro de estructuras reticulares específicas.
“Los conocimientos de este descubrimiento podrían conducir al desarrollo de dispositivos electrónicos con extrema sensibilidad, impulsados por las propiedades únicas de los sistemas cuánticos críticos”, dijo Si, profesor y director de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Weiss. de la Alianza de Materiales Cuánticos Extremos de Rice.
Transiciones de fase cuántica
Un elemento central de esta investigación es el concepto de transiciones de fase cuánticas. Así como el agua cambia entre estados sólido, líquido y gaseoso, los electrones en los materiales cuánticos pueden cambiar entre diferentes fases con cambios en su entorno. Pero a diferencia del agua, estos electrones siguen las reglas de la mecánica cuántica, lo que lleva a un comportamiento mucho más complejo.
La mecánica cuántica introduce dos efectos importantes: las fluctuaciones cuánticas y la topología electrónica. Incluso en el cero absoluto, donde las fluctuaciones térmicas desaparecen, las fluctuaciones cuánticas aún pueden causar cambios en la organización de los electrones, lo que lleva a transiciones de fase cuánticas. Estos cambios a menudo dan como resultado propiedades altamente físicas conocidas como criticidad cuántica.
Además, la mecánica cuántica otorga a los electrones una propiedad única relacionada con la topología, un concepto matemático que puede conducir a comportamientos inusuales y potencialmente útiles cuando se aplica a estados electrónicos.
El estudio fue realizado por el grupo de Si en colaboración a largo plazo con Silke Paschen, coautora del estudio y profesora de física en la Universidad Tecnológica de Viena, y su equipo de investigación. Juntos desarrollaron un modelo teórico para explorar estos efectos cuánticos.
modelo teórico
Los investigadores consideraron dos tipos de electrones: algunos se mueven lentamente, como los coches atrapados en el tráfico, y otros se mueven rápidamente en el carril rápido. Aunque los electrones que se mueven lentamente parecen estacionarios, sus espines pueden apuntar en cualquier dirección.
“Normalmente, estas curvas forman un patrón ordenado, pero la malla que ocupan en nuestro modelo no permite tal refinamiento, lo que lleva a una frustración geométrica”, dijo See.
En cambio, el giro crea una configuración más fluida llamada líquido de giro cuántico, que gira en espiral y elige una dirección en el tiempo. Cuando este líquido en rotación interactúa con electrones que se mueven rápidamente, tiene un efecto topológico.
El equipo de investigación descubrió que este emparejamiento también desencadena una transición a la fase Kondo, donde los espines de los electrones lentos se cierran a altas velocidades. Este estudio revela la compleja interacción entre la topología electrónica y las transiciones de fase cuánticas.
Transporte eléctrico normal
A medida que los electrones atraviesan estas transiciones, su comportamiento cambia dramáticamente, particularmente en cómo conducen la electricidad.
Paschen dijo que uno de los hallazgos más importantes tiene que ver con el efecto Hall, que describe cómo una corriente eléctrica se curva bajo la influencia de un campo magnético externo.
“El efecto Hall tiene un componente que es posible gracias a la topología electrónica”, dijo. “Demostramos que este efecto experimenta un salto repentino en el punto crítico cuántico”.
Implicaciones para la tecnología futura
El descubrimiento avanza en nuestra comprensión de los materiales cuánticos y abre nuevas posibilidades para la tecnología futura. Una parte importante del hallazgo del equipo de investigación es que el efecto Hall responde fuertemente a las transiciones de fase cuánticas, dijo Si.
Gracias a la topología, esta respuesta se produce en un campo magnético diminuto, afirmó.
Estas propiedades inusuales podrían conducir al desarrollo de nuevos tipos de dispositivos electrónicos, como sensores de alta sensibilidad, que podrían revolucionar campos como el diagnóstico médico o la monitorización ambiental.
Los coautores del estudio incluyen a Wenxin Ding de la Universidad de Anhui en China, ex becario postdoctoral en el grupo CK en Rice, y Sarah Griffey ’17, ex estudiante de Rice en la Universidad Estatal de California.
La investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Robert A. Welch y una beca de la facultad Vaniver Bush.
