No es fácil predecir el comportamiento de los electrones en un material. Físicos de la Universidad de Ginebra UNIGE, ETH Zurich y EPFL reemplazaron los electrones con átomos de litio neutros ultra fríos que habían circulado en un tubo cuántico unidimensionalLos científicos pudieron confirmar un estado inusual de la materia que retiene su aislamiento independientemente del nivel de atracción entre las partículas. Este trabajo, publicado en PRX , abre el camino a la búsqueda de nuevos materiales con propiedades atípicas.
El hecho de que un material sea un metal o un aislante depende de una serie de detalles microscópicos, como la fuerza de las interacciones entre electrones; la presencia de impurezas u obstáculos; o la cantidad de dimensiones a través de las cuales los portadores de carga pueden propagarseEste alto grado de complejidad significa que predecir las propiedades electrónicas de un material dado es una tarea difícil. Incluso si sabemos perfectamente cómo modelar la trayectoria de una partícula en el vacío, luchamos por hacer lo mismo en un material uncristal, por ejemplo, donde los electrones circulan entre los núcleos de átomos con carga positiva. Estos últimos generan un potencial periódico, muy similar a una serie de picos que afectan el movimiento de los electrones, lo que complica las predicciones.
¿El material será un metal? ¿Un aislante? ¿O un semiconductor? Todo dependerá de dos parámetros: la fuerza de la interacción entre los electrones y la fuerza del potencial periódico. La respuesta a estas preguntas se encontró en el cursodiscusiones y debates entre un grupo de teóricos, dirigido por Thierry Giamarchi, profesor del Departamento de Física de la Materia Cuántica sección de física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, y los grupos experimentales con sede en Zurich y Lausana, liderados por Martin Lebrat, del grupoencabezado por el profesor Tilman Esslinger en el Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich; y por Jean-Philippe Brantut, profesor de EPFL.
El lugar más frío del Universo
Los investigadores abordaron el problema llevando a cabo sus experimentos con un material artificial perfectamente limpio, lo que significa que podrían controlar la interacción y el potencial periódico. En lugar de hacer circular electrones cuyas interacciones de largo alcance hacen que las predicciones sean más difíciles, los científicos usaron neutro ultrafríoátomos de litio-6, que almacenaron usando un láser en dos tanques sin bordes, verdaderos "cuencos de luz". Como explica Thierry Giamarchi: "El núcleo de este experimento es el lugar más frío del universo. La temperatura allí solo alcanza las 70 mil millonésimas deun grado por encima del cero absoluto, que es mucho más bajo que en un vacío interestelar "
Los depósitos atómicos se conectaron luego por un tubo cuántico unidimensional, en el que se empleó un segundo láser para simular los "picos" del potencial periódico. Los investigadores pudieron medir la conductividad del tubo mientras variaban los parámetros relevantes, incluyendo la longitud y la altura del potencial periódico junto con las interacciones entre las partículas que lo atraviesan. Los científicos destacaron un estado inusual de la materia, predicho por la teoría, pero que nadie había podido observar hasta entonces: un aislante de banda quese mantiene independientemente de la fuerza de la interacción atractiva entre las partículas. La conclusión intuitiva fue que cuanto mayor era la atracción entre las partículas, más probable era que el material fuera un conductor o un superconductor. "Es cierto", continúa el profesor Giamarchi, "en un mundo tridimensional pero en el mundo cuántico de baja dimensión, es una leyenda urbana. Cuando logras confinar el material en untubo cuántico unidimensional con un potencial periódico, permanece aislante, incluso si hay una atracción infinita ". La gran flexibilidad resultante de esta investigación allana el camino para crear estructuras complejas."Podemos ver este sistema como una especie de simulador que definirá los ingredientes que se utilizarán para diseñar un material que aún no existe y que podría cumplir los requisitos para futuros sistemas electrónicos, en computadoras cuánticas, por ejemplo", dice Giamarchi.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ginebra . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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