Dentro de un nuevo cristal exótico, el físico Martin Mourigal ha observado fuertes indicios de acción "espeluznante" y mucha. Los resultados de sus experimentos, si se corroboran con el tiempo, significarían que el tipo de cristal es un material nuevo y raro quepuede producir un líquido de giro cuántico observable.
Actualmente, se cree que solo un pequeño puñado de materiales posiblemente tengan estas propiedades. Este nuevo cristal se sintetizó por primera vez hace solo un año. La corroboración por otros físicos de los datos experimentales recién producidos de Mourigal podría llevar una década o más.
¿Confundido? Conoce la física cuántica
Un "líquido" encontrado dentro de un objeto sólido puede sonar confuso para muchas personas.
Bienvenido a los materiales cuánticos, parte de la zona crepuscular llamada física cuántica, que los científicos han estado luchando durante un siglo para captar un nanómetro a la vez. Aunque aún no se ha descubierto mucho, la física cuántica describe la realidad subyacente de la materia.
El funcionamiento de las computadoras, los teléfonos celulares, los superconductores y las máquinas de resonancia magnética se basan en él. Pero sus leyes sobre el reino atómico desafían la percepción humana de lo que es real, y algunos suenan tan absurdos que se han convertido en populares juegos de ingenio para la ciencia.
'Líquido' en enredo 'espeluznante'
Tome el enredo cuántico, el núcleo de la investigación de Mourigal sobre el cristal: si dos partículas, electrones, por ejemplo, se enredan, pueden estar físicamente separadas por muchas millas y aún íntimamente vinculadas entre sí. Acciones aplicadas a una partícula y luego instantáneamenteefectuar el otro.
Al principio, esta teoría era demasiado extraña incluso para el padre de la relatividad, Albert Einstein, quien la ridiculizó como "acción espeluznante a distancia".
El enredo ha sido probado desde entonces en experimentos, pero ahora científicos como Mourigal, un físico experimental en el Instituto de Tecnología de Georgia, y su equipo, lo han llevado mucho más lejos. El cristal sintético que ha examinado, un compuesto de iterbio con la fórmula YbMgGaO4, probablemente rebosa de conexiones 'espeluznantes' observables.
Mourigal, el ex becario posdoctoral Joseph Paddison y el estudiante graduado Marcus Daum publicaron sus observaciones en la revista Física de la naturaleza el lunes 5 de diciembre de 2016. Colaboraron con colegas de la Universidad de Tennessee y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. El trabajo fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los EE. UU.
sueños de computación cuántica
Este enredo masivo "espeluznante" hace que un sistema de electrones sea un espín cuántico "líquido". El término no se entiende en el sentido cotidiano, como en el agua. Aquí, describe la naturaleza colectiva de los espines de los electrones en el cristal.
"En un giro 'líquido', las direcciones de los giros no están alineadas ordenadamente, sino frenéticas, aunque los giros están interconectados, mientras que en un giro 'sólido' las direcciones de giro tienen una organización ordenada", dijo Mourigal.
Si el descubrimiento se mantiene, podría abrir una puerta a cientos de materiales líquidos de espín cuántico aún desconocidos que los físicos dicen que deben existir de acuerdo con la teoría y las ecuaciones matemáticas. En un futuro lejano, los nuevos materiales cuánticos podrían convertirse, según los estándares actuales, en brujos virtualespiedras en manos de ingenieros de computación cuántica.
¿El éxito del cristal de iterbio de Beijing?
El cristal de iterbio fue sintetizado por primera vez hace un año por científicos en China, donde el gobierno de Beijing ha invertido mucho con la esperanza de crear materiales cuánticos sintéticos con propiedades novedosas. Parece que ahora pueden haber tenido éxito, dijo Mourigal, profesor asistente enEscuela de Física de Georgia Tech.
"Imagine un estado de la materia donde este enredo no involucra dos electrones sino que involucra tres, cinco, 10 o 10 mil millones de partículas en el mismo sistema", dijo Mourigal. "Puede crear un estado muy, muy exótico demateria basada en el hecho de que todas estas partículas están enredadas entre sí. Ya no hay partículas individuales, sino un enorme conjunto de electrones que actúa colectivamente ".
Uno de los únicos líquidos de espín cuántico aparentes observados anteriormente ocurre en un cristal natural llamado herbertsmithita, una piedra verde esmeralda encontrada en 1972 en una mina en Chile. Fue nombrada en honor al mineralogista Herbert Smith, quien murió casi 20 años antes del descubrimientoLos investigadores confirmaron su naturaleza de líquido de espín en 2012 después de que los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts lograron reproducir una pieza purificada del cristal en su laboratorio.
Ese descubrimiento inicial fue solo el comienzo de una Odisea. Debido a su composición química, la herbertsmithita produce un solo esquema de enredo. Las matemáticas de la física dicen que debe haber miles más.
Enciclopedia de líquidos de centrifugado
"Encontrar herbertsmithita fue como decir 'los animales existen'. Pero hay muchas especies diferentes de animales, mamíferos, peces, reptiles y pájaros", dijo Mourigal. "Ahora que hemos encontrado uno, estamos buscandodiferentes tipos de líquidos de centrifugado "
Cuantos más físicos experimentales confirmen los líquidos de centrifugado, más físicos teóricos podrán usarlos para inclinar sus mentes en torno a la física cuántica.
"Es importante crear la enciclopedia de ellos", dijo Mourigal. "Este nuevo cristal puede ser solo nuestra segunda o tercera entrada".
Lo que reveló la dispersión de neutrones
Los físicos de la Universidad de Tennessee lograron replicar el cristal de iterbio original, y Mourigal lo examinó en el Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL, donde se enfrió a una temperatura de -273.09 grados Celsius 0.06 grados Kelvin.
El enfriamiento ralentizó el movimiento natural de los átomos hasta casi detenerse, lo que permitió a los investigadores observar la danza de los espines de electrones alrededor de los átomos de iterbio Yb en el cristal YbMgGaO4. Utilizaron un poderoso imán superconductor para alinear los espinesde manera ordenada para crear un punto de partida para sus observaciones.
"Luego eliminamos el campo magnético y les permitimos volver a su tipo especial de meneo", dijo Mourigal.
Su equipo llevó a cabo las observaciones en ORNL Spallation Neutron Source, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. El SNS tiene información sobre el poder y el tamaño de un supercollider de partículas, permitió a los científicos observar el concierto de los giros de electrones porbombardeándolos con neutrones.
Normalmente, cuando un electrón gira su giro, los investigadores esperarían que creara una reacción en cadena ordenada, lo que da como resultado una ola que atraviesa el cristal. La ola de giros de electrones girando en secuencia podría verse como fanáticos en un juego de fútbol parado ysentarse de nuevo para hacer que una ola rodee el estadio.
Pero sucedió algo extraño. "Este tipo de onda giratoria se descompuso en muchas otras ondas, porque todo es colectivo, todo está enredado", dijo Mourigal. "Fue un continuo de excitaciones, pero se rompió a través de muchos electrones a la vez"
Fue cualitativamente similar a lo que se observó usando la misma técnica en herbertsmithita.
donut de topología del Premio Nobel
Para autenticar las observaciones hechas por el equipo de Mourigal, los físicos teóricos tendrán que analizar los datos con métodos que, en parte, se basan en la topología, un enfoque del Premio Nobel de Física 2016. Mourigal cree que es probable que aprueben ".A primera vista, este material está gritando: 'Soy un líquido de giro cuántico' ", dijo.
Pero debe someterse a una batería de pruebas matemáticas rigurosas de un año de duración. Los físicos teóricos envolverán los datos alrededor de una "dona" matemática para confirmar si es un líquido de espín cuántico.
"Eso significa en serio", dijo Mourigal. "Como ejercicio mental matemático, prácticamente extienden el líquido giratorio alrededor de una forma de rosquilla, y la forma en que responde al estar en una rosquilla le dice algo sobre la naturaleza de ese líquido giratorio."
Aunque las partículas enredadas parecen desafiar el espacio y el tiempo, la forma del espacio que ocupan afecta la naturaleza del patrón de enredo.
La posibilidad de un líquido de espín cuántico se demostró por primera vez en la década de 1930, pero solo usando átomos colocados en línea recta. Los físicos han estado buscando en las décadas posteriores materiales que los contengan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por Ben Brumfield. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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