A finales del siglo XIX, los físicos descubrieron lo que ahora se llama efecto Hall. Esto ocurre cuando una corriente eléctrica fluye a través de un material cuando se aplica un campo magnético en ángulo recto. En estas condiciones, aparece una tensión a través del material desde el lado circundante.
En pocas palabras, el campo magnético empuja los electrones cargados negativamente hacia un lado del conductor. Esta acumulación de carga hace que un extremo se cargue negativamente y el extremo opuesto se cargue positivamente, creando una diferencia de voltaje mensurable.
Durante muchos años, los científicos han utilizado este efecto como una herramienta fiable. Esto les permite medir campos magnéticos con alta precisión y determinar el nivel de dopaje del material, es decir, agregar una cantidad pequeña y controlada de impureza a un material puro para cambiar la forma en que conduce la electricidad.
Efecto Hall clásico a cuántico
En la década de 1980, los investigadores que estudiaban conductores ultrafinos a temperaturas extremadamente bajas hicieron un descubrimiento sorprendente. Cuando estos materiales en forma de láminas fueron expuestos a un campo magnético muy fuerte, el voltaje lateral no aumentó suavemente. En cambio, creció en pasos muy definidos.
Estas zonas planas conocidas como mesetas se han vuelto universales. No dependen de la estructura, forma o imperfecciones microscópicas del material. Su valor está determinado únicamente por las constantes fundamentales de la naturaleza: la carga del electrón y la constante de Planck.
Este fenómeno se conoció como efecto Hall cuántico. Su importancia fue rápidamente reconocida y acabó ganando tres premios Nobel de física: en 1985, por el descubrimiento del efecto Hall cuántico, en 1998, por el descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccionario, y en 2016, por el descubrimiento de las fases topológicas de la materia.
Por qué la iluminación supone un gran desafío
Hasta hace poco, el efecto Hall cuántico se observaba principalmente en los electrones. Como los electrones llevan una carga eléctrica, responden directamente a los campos eléctricos y magnéticos. Los fotones, que son partículas de luz, no tienen carga eléctrica y, por lo tanto, no reaccionan naturalmente a esas energías.
Como resultado, reproducir el efecto Hall cuántico con luz resultó extraordinariamente difícil.
Observando una deriva de luz cuantificada
Un equipo internacional de investigadores ha logrado ese objetivo demostrando una deriva transversal de luz medida. Sus resultados fueron publicados Exploración física x.
“La luz fluye de manera cuantificable, siguiendo los pasos universales que se observan en los electrones bajo fuertes campos magnéticos”, afirmó Philippe Saint-Jean, profesor de física en la Universidad de Montreal y coautor del estudio.
Las implicaciones potenciales de estos hallazgos son significativas. En metrología, la ciencia de la medición de precisión, los sistemas ópticos algún día podrían servir como estándar de referencia universal, tal vez trabajando junto con los sistemas electrónicos o reemplazándolos.
Implicaciones para la medición y los estándares
El efecto Hall cuántico ya desempeña un papel central en la ciencia de medición moderna.
“Hoy en día, el kilogramo se define en términos de constantes fundamentales mediante un dispositivo electromecánico que compara la corriente eléctrica con la masa”, explicó Saint-Jean. “Para calibrar completamente esta corriente, necesitamos un valor universal para la resistencia eléctrica.
“Las mesetas de Quantum Hall nos dan exactamente eso. Gracias a ellas, todos los países del mundo comparten una definición común de masa sin depender de artefactos físicos”.
Según Saint-Jean, lograr un control preciso y mensurable sobre cómo fluye la luz podría ampliar las posibilidades no sólo en metrología, sino también en el procesamiento de información cuántica. Incluso puede ayudar a crear computadoras fotónicas cuánticas más resistentes.
También pueden resultar útiles pequeñas desviaciones del escalamiento perfecto. Incluso pequeñas desviaciones pueden causar sutiles perturbaciones ambientales, abriendo la puerta a nuevos tipos de sensores altamente sensibles.
Diseñando el futuro de la fotónica
“Observar la deriva de la luz medida es un desafío singular, porque los sistemas fotónicos están inherentemente fuera de equilibrio”, señaló Saint-Jean. “A diferencia de los electrones, la luz exige un control, manipulación y estabilidad precisos”.
Los logros del equipo dependen de una ingeniería experimental avanzada. Su trabajo sugiere nuevas oportunidades para diseñar dispositivos fotónicos de próxima generación capaces de transmitir y procesar información de formas nuevas y poderosas.
