En un giro acorde con la extraña naturaleza de la mecánica cuántica, los físicos han descubierto el efecto Hall, un cambio característico en la forma en que se conduce la electricidad en presencia de un campo magnético, en un material cuántico no magnético al que no se aplica ningún campo magnético.aplicado.
El descubrimiento realizado por investigadores de la Universidad Rice, la Universidad Tecnológica de Viena de Austria TU Wien, el Instituto Paul Scherrer de Suiza y la Universidad McMaster de Canadá se detalla en un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.el efecto, que normalmente se asocia con el magnetismo, y su magnitud gigantesca, más de 1.000 veces mayor de lo que se podría observar en semiconductores simples.
El coautor del estudio de Rice, Qimiao Si, un físico teórico que ha investigado materiales cuánticos durante casi tres décadas, dijo: "Es realmente la topología en funcionamiento", refiriéndose a los patrones de entrelazamiento cuántico que dan lugar al estado poco ortodoxo.
El material, un semimetal exótico de cerio, bismuto y paladio, fue creado y medido en TU Wien por Silke Bühler-Paschen, una colaboradora de Si's desde hace mucho tiempo. A fines de 2017, Si, Bühler-Paschen y sus colegas descubrieron un nuevo tipo dematerial cuántico que denominaron un "semimetal de Weyl-Kondo". La investigación sentó las bases para las investigaciones empíricas, pero Si dijo que los experimentos fueron desafiantes, en parte porque no estaba claro "qué cantidad física captaría el efecto".
En abril de 2018, Bühler-Paschen y el estudiante graduado de TU Wien, Sami Dzsaber, el primer autor del estudio, pasaron por la oficina de Si mientras asistían a un taller en el Rice Center for Quantum Materials RCQM. Cuando Si vio los datos de Dzsaber, tenía dudas.
"Al ver esto, la primera reacción de todos es que no es posible", dijo.
Para apreciar por qué, es útil comprender tanto la naturaleza como el descubrimiento de 1879 de Edwin Hall, un estudiante de doctorado que descubrió que la aplicación de un campo magnético en un ángulo de 90 grados a un cable conductor producía una diferencia de voltaje a través del cable, en eldirección perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético. Los físicos finalmente descubrieron la fuente del efecto Hall: el campo magnético desvía el movimiento de los electrones que pasan, tirando de ellos hacia un lado del cable. El efecto Hall es una herramienta estándar en los laboratorios de física, y los dispositivos que lo utilizan se encuentran en productos tan diversos como motores de cohetes y pistolas de paintball. Los estudios relacionados con la naturaleza cuántica del efecto Hall obtuvieron premios Nobel en 1985 y 1998.
Los datos experimentales de Dzsaber mostraron claramente una señal de Hall característica, aunque no se aplicó ningún campo magnético.
"Si no aplica un campo magnético, se supone que el electrón no debe doblarse", dijo Si. "Entonces, ¿cómo podría obtener una caída de voltaje a lo largo de la dirección perpendicular? Es por eso que todos no creyeron esto enprimero."
Los experimentos del Instituto Paul Scherrer descartaron la presencia de un minúsculo campo magnético que solo podía detectarse a escala microscópica. Por lo tanto, quedaba la pregunta: ¿Qué causó el efecto?
"Al final, todos tuvimos que aceptar que esto estaba conectado a la topología", dijo Si.
En los materiales topológicos, los patrones de entrelazamiento cuántico producen estados "protegidos", características universales que no se pueden borrar. La naturaleza inmutable de los estados topológicos es de creciente interés para la computación cuántica. Los semimetales de Weyl, que manifiestan una cuasipartícula conocida como fermión de Weyl,son materiales topológicos.
También lo son los semimetales de Weyl-Kondo Si, Bühler-Paschen y sus colegas descubiertos en 2018. Esos presentan fermiones de Weyl y el efecto Kondo, una interacción entre los momentos magnéticos de los electrones unidos a los átomos dentro del metal y los espines de conducción pasanteelectrones.
"El efecto Kondo es la forma por excelencia de correlaciones fuertes en materiales cuánticos", dijo Si en referencia al comportamiento colectivo correlacionado de miles de millones y miles de millones de partículas cuánticas entrelazadas. "Califica al semimetal de Weyl-Kondo como uno de los rarosejemplos de un estado topológico impulsado por fuertes correlaciones.
"La topología es una característica definitoria del semimetal de Weyl-Kondo, y el descubrimiento de este efecto Hall gigante espontáneo es realmente la primera detección de topología asociada con este tipo de fermión de Weyl", dijo Si.
Los experimentos mostraron que el efecto surgió a la temperatura característica asociada con el efecto Kondo, lo que indica que es probable que los dos estén conectados, dijo Si.
"Este tipo de efecto Hall espontáneo también se observó en experimentos contemporáneos en algunos semiconductores en capas, pero nuestro efecto es más de 1.000 veces mayor", dijo. "Pudimos demostrar que el efecto gigante observado es, de hecho,natural cuando el estado topológico se desarrolla a partir de fuertes correlaciones ".
Si dijo que la nueva observación es probablemente "la punta del iceberg" de respuestas extremas que resultan de la interacción entre correlaciones fuertes y topología.
Dijo que el tamaño del efecto Hall generado topológicamente también es probable que estimule las investigaciones sobre los usos potenciales de la tecnología para la computación cuántica.
"Esta gran magnitud, y su naturaleza robusta y masiva presenta intrigantes posibilidades de explotación en dispositivos cuánticos topológicos", dijo Si.
Si es profesor Harry C. y Olga K. Wiess en el Departamento de Física y Astronomía de Rice y director de RCQM. Bühler-Paschen es profesor en el Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Jade Boyd. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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