Un grupo de investigación de la Universidad de Bar-Ilan, en colaboración con colegas franceses en CNRS Grenoble, ha desarrollado un experimento único para detectar eventos cuánticos en películas ultrafinas. Esta novedosa investigación, que se publicará en la revista científica Nature Communications, mejorala comprensión de los fenómenos básicos que ocurren en sistemas de tamaño nano cerca de la temperatura cero absoluta.
Transiciones, fases y puntos críticos
Una transición de fase es un término general para los fenómenos físicos en los que un sistema transita de un estado a otro como resultado de cambiar la temperatura. Ejemplos diarios son la transición de hielo a agua sólido a líquido a cero grados centígrados, y deagua a vapor líquido a gas a 100 grados
La temperatura a la que tiene lugar la transición se denomina punto crítico. Cerca de este punto se producen fenómenos físicos interesantes. Por ejemplo, a medida que se calienta el agua, comienzan a formarse pequeñas regiones de gas y el agua burbujea. A medida que la temperatura del líquido se eleva haciael punto crítico aumenta el tamaño de las burbujas de gas. A medida que el tamaño de la burbuja se vuelve comparable a la longitud de onda de la luz, la luz se dispersa y hace que el líquido normalmente transparente parezca "lechoso", un fenómeno conocido como opalescencia crítica.
En los últimos años, la comunidad científica ha mostrado un interés creciente en las transiciones de fase cuántica en las que un sistema transita entre dos estados a temperatura cero absoluta -273 grados como resultado de la manipulación de un parámetro físico como el campo magnético, la presión o la composición químicaen lugar de la temperatura. En estas transiciones, el cambio se produce no debido a la energía térmica proporcionada al sistema por calentamiento, sino más bien por fluctuaciones cuánticas. Aunque el cero absoluto no es físicamente alcanzable, las características de la transición pueden detectarse en el comportamiento de muy baja temperatura del sistemacerca del punto crítico cuántico. Estas características incluyen "burbujas cuánticas" de una fase en la otra. El tamaño y la vida útil de estas burbujas cuánticas aumentan a medida que el sistema se sintoniza hacia el punto crítico, dando lugar a un equivalente cuántico de opalescencia crítica.
La predicción teórica de tal criticidad cuántica se proporcionó hace unas décadas, pero la forma de medir esto experimentalmente sigue siendo un misterio. El profesor Aviad Frydman del Departamento de Física e Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad de Bar-Ilan, y su estudianteShachar Poran, junto con el Dr. Olivier Bourgeois de CNRS Grenoble, por primera vez dieron la respuesta.
Creando un Nano-trampoline
En las transiciones de fase normales hay una cantidad única que se puede medir para detectar un punto crítico. Este es el calor específico que mide la cantidad de energía térmica que se debe suministrar a un sistema para elevar su temperatura en un grado.El aumento de la temperatura de un sistema en dos grados requiere el doble de energía que la necesaria para aumentarlo en un grado. Sin embargo, cerca de una transición de fase ya no es así. Gran parte de la energía se invierte en la creación de burbujas o fluctuaciones y, por lo tanto, se debe invertir más energía para generar un cambio similar en la temperatura. Como resultado, el calor específico aumenta cerca del punto crítico y su medición proporciona información sobre las fluctuaciones.
La medición del calor específico de un sistema cercano a un punto crítico cuántico plantea un desafío mucho mayor. En primer lugar, las mediciones deben realizarse a bajas temperaturas. En segundo lugar, los sistemas en estudio son capas nanodelgadas que requieren mediciones extremadamente sensibles. FrydmanEl grupo superó estos obstáculos al desarrollar un diseño experimental único basado en una membrana delgada suspendida en el aire por puentes muy estrechos, formando así un "nano-trampolín". Esta configuración permitió mediciones de calor específicas de las películas delgadas a través de una transición de fase cuántica desde una superconducciónestado a un estado eléctricamente aislante cercano a la temperatura cero absoluta.
La medición realizada por el grupo de Frydman es la primera de su tipo. Los resultados demuestran que, al igual que en el caso de una transición de fase térmica, el calor específico aumenta de manera similar en la vecindad de un punto crítico cuántico, y puede usarse como uninvestigar la criticidad cuántica. Se espera que este trabajo sea un hito en la comprensión de los procesos físicos que rigen el comportamiento de los sistemas ultrafinos a temperaturas ultrabajas.
El Prof. Frydman presentará esta investigación en varias conferencias internacionales en las próximas semanas. La investigación fue apoyada por el Laboratoire d'Excellence LANEF en Grenoble ANR-10-LABX-51-01 para el Prof. Frydman.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Bar-Ilan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :