La luz y la materia generalmente se ven como entidades distintas que siguen sus propias reglas únicas. La materia tiene masa y típicamente exhibe interacciones con otra materia, mientras que la luz no tiene masa y no interactúa consigo misma. Sin embargo, la dualidad onda-partícula nos dice quela materia y la luz actúan a veces como partículas y a veces como ondas.
Aprovechando la naturaleza ondulatoria compartida de la luz y la materia, los investigadores de la Universidad de Chicago dirigidos por el profesor asistente de física de la familia Neubauer, Jonathan Simon, han utilizado la luz para explorar algunas de las preguntas más intrigantes de la mecánica cuántica de los materiales. El tema abarca aspectos complejosy fenómenos no intuitivos que a menudo son difíciles de explicar en un lenguaje no técnico, pero que tienen importantes implicaciones para los especialistas en el campo.
En trabajo publicado en línea el 6 de junio de 2016, en la revista Naturaleza , el grupo de Simon presenta nuevas observaciones experimentales de un material de Hall cuántico cerca de una singularidad de curvatura en el espacio.
Los efectos cuánticos dan lugar a algunas de las propiedades más útiles y prometedoras de los materiales: definen las unidades de medida estándar, dan lugar a la superconductividad y describen las computadoras cuánticas. Los materiales de la sala cuántica son un ejemplo destacado en el que los electrones quedan atrapados en-conduciendo órbitas circulares excepto en los bordes del material. Allí, los electrones exhiben una conducción eléctrica cuantificada libre de resistencia que es inmune a desórdenes tales como impurezas del material o defectos superficiales.
Además, los electrones en los materiales de Hall cuántico no transmiten ondas sonoras, sino que tienen excitaciones similares a partículas, algunas de las cuales son diferentes a cualquier otra partícula jamás descubierta. Algunos de estos materiales también exhiben entrelazamiento cuántico simultáneo entre millones de electrones, lo que significa que ellos electrones están tan interconectados que el estado de uno influye instantáneamente en el estado de todos los demás. Esta combinación de propiedades hace que los materiales de Hall cuánticos sean una plataforma prometedora para la futura computación cuántica.
Investigadores de todo el mundo han pasado los últimos 35 años profundizando en los misterios de los materiales de la sala cuántica, pero siempre de la misma manera fundamental. Usan imanes superconductores para crear campos magnéticos muy poderosos y refrigeradores para enfriar muestras electrónicas a milésimas de grado por encima del valor absoluto.cero.
Luz de captura ...
En un nuevo enfoque, Simon y su equipo demostraron la creación de un material Hall cuántico hecho de luz. "Usando espejos realmente buenos que se apuntan entre sí, podemos atrapar la luz durante mucho tiempo mientras rebota hacia adelante y hacia atrás.miles de veces entre los espejos ", explicó el estudiante graduado Nathan Schine.
En el experimento de UChicago, los fotones viajan hacia adelante y hacia atrás entre los espejos, mientras que su movimiento de lado a lado imita el comportamiento de partículas masivas como los electrones. Para emular un campo magnético fuerte, los investigadores crearon una disposición no plana de cuatro espejosque hace que la luz se tuerza mientras completa un viaje de ida y vuelta. El movimiento de torsión hace que los fotones se muevan como partículas cargadas en un campo magnético, aunque no haya un imán real presente.
"Hacemos girar los fotones, lo que genera una fuerza que tiene el mismo efecto que un campo magnético", explicó Schine. Mientras la luz está atrapada, se comporta como los electrones en un material de Hall cuántico.
Primero, el grupo de Simon demostró que tenían un material de luz Hall cuántico. Para hacerlo, proyectaron luz láser infrarroja en los espejos. Al variar la frecuencia del láser, el equipo de Simon pudo mapear con precisión a qué frecuencias se transmitía el láserLos espejos. Estas frecuencias de transmisión, junto con las imágenes de la cámara de la luz transmitida, dieron una firma reveladora de un estado cuántico de Hall.
A continuación, los investigadores aprovecharon el control preciso que brindan los sistemas ópticos avanzados para colocar los fotones en el espacio curvo, lo que hasta ahora no ha sido posible con los electrones. En particular, hicieron que los fotones se comportaran como si residieran en la superficiede un cono.
... cerca de una singularidad
"Creamos un cono para la luz de manera muy similar a como lo haría usted cortando una cuña de papel y pegando los bordes", dijo el becario postdoctoral Ariel Sommer, también coautor del artículo. "En este caso, impusimos unsimetría triple en nuestra luz, que esencialmente divide el plano en tres cuñas y obliga a la luz a repetirse en cada cuña ".
La punta de un cono tiene una curvatura infinita, la singularidad, por lo que los investigadores pudieron estudiar el efecto de una fuerte curvatura espacial en un material de Hall cuántico. Observaron que los fotones se acumulaban en la punta del cono, lo que confirma una teoría no probada previamente.del efecto Hall cuántico en el espacio curvo.
A pesar de 20 años de interés, esta es la primera vez que un experimento observa el comportamiento de los materiales cuánticos en el espacio curvo. "Estamos comenzando a hacer que nuestros fotones interactúen entre sí", dijo Schine. "Esto abre muchas posibilidades,como hacer estados de luz líquidos cuánticos cristalinos o exóticos. Entonces podemos ver cómo responden a la curvatura espacial ".
Los investigadores dicen que esto podría ser útil para caracterizar un cierto tipo de computadora cuántica que está construida con materiales de Hall cuántico.
"Si bien los materiales de la sala cuántica se descubrieron en los años ochenta, continúan revelando sus fascinantes secretos hasta el día de hoy", dijo Simon. "La última frontera es explorar la interacción de estos hermosos materiales con la curvatura del espacio. Eso es lo que pensamoshe comenzado a explorar con nuestros fotones ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :