Las transiciones entre diferentes fases de la materia son parte de nuestra vida cotidiana: cuando el agua se congela, por ejemplo, pasa del estado líquido al sólido. Algunas de estas transiciones pueden ser de un tipo diferente, como resultado de la llamadaExcitaciones topológicas que obligan a todas las partículas a actuar al unísono. Investigadores de la Universidad de Ginebra UNIGE y el CEA, CNRS y UGA han estado estudiando BACOVO, un material cuántico unidimensional desconocido para el público en general, en colaboración conLos científicos de los centros neutrónicos ILL y PSI han descubierto en este material una novedosa transición de fase topológica, gobernada no por un solo tipo de excitación topológica, sino por dos diferentes. Además, pudieron elegir cuál de los dos conjuntosdominaría al otro. Puedes leer todo sobre su investigación en la revista Física de la naturaleza .
Los investigadores recurrieron al trabajo del Premio Nobel de física 2016 otorgado a David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz. Los tres físicos predijeron que un conjunto de excitaciones topológicas en un material cuántico probablemente inducirá una transición de fase. NumerosasSe han desarrollado teorías sobre estas excitaciones topológicas, incluida la posibilidad de combinar dos de ellas en un solo material. ¿Pero es una posibilidad real? Y si es así, ¿qué pasaría? Los equipos de UNIGE y CEA, CNRS y UGA pudieronproporciona la primera confirmación experimental de la teoría que predice la existencia de dos conjuntos simultáneos de excitaciones topológicas y la competencia entre ellos. En general, es una pequeña revolución en el misterioso mundo de las propiedades cuánticas.
Teoría y experimentación íntimamente vinculadas
Los investigadores de CEA, CNRS y la Universidad Grenoble Alpes estaban trabajando en un material antiferromagnético unidimensional con propiedades particulares: BACOVO BaCo2V2O8. "Realizamos varios experimentos en BACOVO, un óxido caracterizado por su estructura helicoidal", subraya BéatriceGrenier, Sylvain Petit y Virginie Simonet, investigadores del CEA, CNRS y UGA. "Pero nuestros resultados experimentales evidenciaron una transición de fase desconcertante", razón por la cual su equipo recurrió a Thierry Giamarchi, profesor del Departamento de Física de la Materia Cuántica enFacultad de Ciencias de la UNIGE. El físico de Ginebra explica: "En base a sus resultados, establecimos marcos teóricos capaces de interpretarlos. Estos modelos teóricos fueron probados nuevamente utilizando nuevos experimentos para que pudieran ser validados".
Creando el "modelo estándar"
El objetivo era comprender cómo actúan las propiedades cuánticas de BACOVO, especialmente sus excitaciones topológicas. "Para este propósito, utilizamos la dispersión de neutrones, lo que significa que enviamos un haz de neutrones al material. Los neutrones se comportan como pequeños imanes que interactúan con los de BACOVO, de acuerdo con una estrategia "perturbar para revelar", que nos ayuda a comprender sus propiedades ", dice Quentin Faure, estudiante de doctorado en el Instituto de Nanociencia y Criogenia CEA / UGA y el Instituto Néel. Cuando el modelo se desarrolló enUNIGE coincide con el experimento, se convierte en el "modelo estándar" del material ". El profesor Giamarchi señala con entusiasmo:" ¡Y, de hecho, el modelo que establecimos con Shintaro Takayoshi predijo exactamente el resultado visto en el experimento! "
Un material con propiedades inesperadas
Pero este experimento también condujo a un descubrimiento que los científicos no habían anticipado. "Después de establecer el" modelo estándar "para BACOVO, observamos propiedades inesperadas", dice Shintaro Takayoshi, investigador del Departamento de Física de la Materia Cuántica en la Facultad de UNIGEof Science. Cuando se coloca en un campo magnético, BACOVO desarrolla un segundo conjunto de excitaciones topológicas que compiten con el primero, confirmando teorías de los años 1970 y 1980 organizadas en torno al campo abierto por el trabajo de los científicos Nobel ".además de demostrar la existencia de esta confrontación entre dos conjuntos de excitaciones topológicas dentro del mismo material, un evento sin precedentes, pudimos controlar experimentalmente qué conjunto dominaría al otro ", agrega el investigador de Ginebra. ¡Y eso es lo primero!
Lo que originalmente era una hipótesis teórica se convirtió en un experimento verificado. El análisis en profundidad de BACOVO realizado por los físicos demostró que dos conjuntos de excitaciones topológicas entran en confrontación directa en el mismo material y controlan el estado de la materia, que difiere de acuerdo conel conjunto dominante, produciendo una transición de fase cuántica. Además, los científicos lograron controlar qué conjunto prevalece, lo que significa que podrían ajustar el estado de la materia de BACOVO a voluntad. "Estos resultados abren una gama completa de posibilidades en términos de investigación de física cuántica".concluye el profesor Giamarchi: "Es cierto que todavía estamos en el nivel fundamental, pero es a través de este tipo de descubrimiento que nos estamos acercando cada día más a las aplicaciones para las propiedades cuánticas de los materiales ... ¡¿y por qué no las computadoras cuánticas ?!"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ginebra . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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