Los investigadores de la Universidad de Maryland han capturado la evidencia más directa hasta la fecha de una peculiaridad cuántica que permite que las partículas atraviesen una barrera como si ni siquiera estuviera allí. El resultado, que aparece en la portada de la edición del 20 de junio de 2019 deldiario Naturaleza , puede permitir a los ingenieros diseñar componentes más uniformes para futuras computadoras cuánticas, sensores cuánticos y otros dispositivos.
El nuevo experimento es una observación del túnel de Klein, un caso especial de un fenómeno cuántico más ordinario. En el mundo cuántico, el túnel permite que partículas como los electrones pasen a través de una barrera incluso si no tienen suficiente energía para treparUna barrera más alta generalmente lo hace más difícil y deja pasar menos partículas.
El túnel de Klein ocurre cuando la barrera se vuelve completamente transparente, abriendo un portal que las partículas pueden atravesar independientemente de la altura de la barrera. Científicos e ingenieros del Centro de Nanofísica y Materiales Avanzados CNAM de la UMD, el Joint Quantum Institute JQI y elEl Centro de Teoría de la Materia Condensada CMTC, por sus siglas en inglés, con nombramientos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Departamento de Física de la UMD, ha realizado las mediciones más convincentes hasta ahora del efecto.
"El túnel de Klein fue originalmente un efecto relativista, predicho por primera vez hace casi cien años", dice Ichiro Takeuchi, profesor de ciencia e ingeniería de materiales MSE en la UMD y autor principal del nuevo estudio ". Hasta hace poco, sin embargo, no podías observarlo "
Era casi imposible recopilar evidencia para el túnel de Klein donde se predijo por primera vez: el mundo de las partículas cuánticas de alta energía que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Pero en las últimas décadas, los científicos han descubierto que algunas de las reglaslas partículas cuánticas de rápido movimiento también se aplican a las partículas relativamente lentas que viajan cerca de la superficie de algunos materiales inusuales.
Uno de esos materiales, que los investigadores usaron en el nuevo estudio, es el hexaboruro de samario SmB6, una sustancia que se convierte en un aislante topológico a bajas temperaturas. En un aislante normal como la madera, el caucho o el aire, los electrones quedan atrapados, incapacesmoverse incluso cuando se aplica voltaje. Por lo tanto, a diferencia de sus camaradas de itinerancia libre en un cable de metal, los electrones en un aislante no pueden conducir una corriente.
Los aislantes topológicos como SmB6 se comportan como materiales híbridos. A temperaturas suficientemente bajas, el interior de SmB6 es un aislante, pero la superficie es metálica y permite que los electrones tengan libertad de movimiento. Además, la dirección en la que se mueven los electrones se bloquea.una propiedad cuántica intrínseca llamada espín que puede orientarse hacia arriba o hacia abajo. Los electrones que se mueven hacia la derecha siempre tendrán su espín apuntando hacia arriba, por ejemplo, y los electrones que se mueven hacia la izquierda tendrán su espín apuntando hacia abajo.
Sin embargo, la superficie metálica de SmB6 no habría sido suficiente para detectar el túnel de Klein. Resultó que Takeuchi y sus colegas necesitaban transformar la superficie de SmB6 en un superconductor, un material que puede conducir corriente eléctrica sin resistencia alguna.
Para convertir SmB6 en un superconductor, colocan una película delgada sobre una capa de hexaboruro de itrio YB6. Cuando todo el conjunto se enfrió a unos pocos grados por encima del cero absoluto, el YB6 se convirtió en un superconductor y, debido asu proximidad, la superficie metálica de SmB6 también se convirtió en un superconductor.
Fue una "casualidad" que SmB6 y su pariente con intercambio de itrio compartieran la misma estructura cristalina, dice Johnpierre Paglione, profesor de física en la UMD, director de CNAM y coautor del trabajo de investigación ".Sin embargo, el equipo multidisciplinario que tenemos fue una de las claves de este éxito. Tener expertos en física topológica, síntesis de película delgada, espectroscopía y comprensión teórica realmente nos llevó a este punto ", agrega Paglione.
La combinación resultó ser la combinación correcta para observar el túnel de Klein. Al poner en contacto una pequeña punta de metal con la parte superior del SmB6, el equipo midió el transporte de electrones desde la punta al superconductor. Observaron una conductancia perfectamente duplicada:una medida de cómo cambia la corriente a través de un material a medida que varía el voltaje a través de él.
"Cuando observamos la duplicación por primera vez, no lo creí", dice Takeuchi. "Después de todo, es una observación inusual, así que le pedí a mi postdoctorado Seunghun Lee y al científico investigador Xiaohang Zhang que regresaran y hicieran el experimentode nuevo."
Cuando Takeuchi y sus colegas experimentales se convencieron de que las mediciones eran precisas, inicialmente no entendieron la fuente de la conductancia duplicada. Entonces comenzaron a buscar una explicación. Victor Galitski de UMD, miembro de JQI, profesor de física yun miembro de CMTC, sugirió que el túnel de Klein podría estar involucrado.
"Al principio, fue solo una corazonada", dice Galitski. "Pero con el tiempo nos convencimos más de que el escenario de Klein podría ser la causa subyacente de las observaciones".
Valentin Stanev, científico investigador asociado en MSE y científico investigador en JQI, tomó el presentimiento de Galitski y elaboró una teoría cuidadosa de cómo podría emerger el túnel de Klein en el sistema SmB6, haciendo predicciones que coincidieran bien con los datos experimentales.
La teoría sugirió que el túnel de Klein se manifiesta en este sistema como una forma perfecta de reflexión de Andreev, un efecto presente en cada límite entre un metal y un superconductor. La reflexión de Andreev puede ocurrir cada vez que un electrón del metal salta a un superconductor.En el superconductor, los electrones se ven obligados a vivir en pares, por lo que cuando un electrón se activa, recoge a un amigo.
Para equilibrar la carga eléctrica antes y después del salto, una partícula con la carga opuesta, que los científicos llaman un agujero, debe reflejarse nuevamente en el metal. Este es el sello distintivo de la reflexión de Andreev: entra un electrón,sale un agujero. Y dado que un agujero que se mueve en una dirección lleva la misma corriente que un electrón que se mueve en la dirección opuesta, todo este proceso duplica la conductancia general: la firma del túnel de Klein a través de una unión de un metal y un topológicosuperconductor.
En las uniones convencionales entre un metal y un superconductor, siempre hay algunos electrones que no forman el salto. Se dispersan fuera del límite, reduciendo la cantidad de reflexión de Andreev y evitando una duplicación exacta de la conductancia.
Pero debido a que los electrones en la superficie de SmB6 tienen su dirección de movimiento ligada a su giro, los electrones cerca del límite no pueden recuperarse, lo que significa que siempre transitarán directamente hacia el superconductor.
"El túnel de Klein también se había visto en el grafeno", dice Takeuchi. "Pero aquí, como es un superconductor, diría que el efecto es más espectacular. Obtienes esta duplicación exacta y una cancelación completa de la dispersión, y allíno es análogo a eso en el experimento de grafeno "
Las uniones entre superconductores y otros materiales son ingredientes en algunas arquitecturas informáticas cuánticas propuestas, así como en dispositivos de detección de precisión. La desventaja de estos componentes siempre ha sido que cada unión es ligeramente diferente, dice Takeuchi, que requiere un ajuste y calibración interminables para alcanzarel mejor rendimiento. Pero con el túnel de Klein en SmB6, los investigadores finalmente podrían tener un antídoto contra esa irregularidad.
"En electrónica, la propagación de dispositivo a dispositivo es el enemigo número uno", dice Takeuchi. "Aquí hay un fenómeno que elimina la variabilidad".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :