Las estructuras cuasiperiódicas, que están ordenadas pero no son estrictamente periódicas, son la fuente de una belleza extraordinaria en la naturaleza, el arte y la ciencia. Para los físicos, el orden cuasiperiódico es atractivo tanto estética como intelectualmente. Numerosos procesos físicos que están bien descritos en estructuras periódicascambian fundamentalmente su carácter cuando suceden en sistemas cuasiperiódicos. Agregue mecánica cuántica y pueden surgir nuevos fenómenos sorprendentes que aún no se comprenden completamente. Física de la naturaleza , un equipo internacional dirigido por Oded Zilberberg del Instituto de Física Teórica de ETH Zurich y por los investigadores de física del CNRS Jacqueline Bloch de la Université Paris-Saclay y Alberto Amo de la Universidad de Lille, ahora describe el trabajo combinado teórico y experimental en el que establecenHerramientas versátiles para explorar el comportamiento de los sistemas cuánticos en una amplia gama de entornos cuasiperiódicos unidimensionales y demostrar la fuerza de su enfoque para descubrir nuevos mecanismos físicos.
belleza intrincada
La esencia y la belleza de las estructuras cuasiperiódicas pueden captarse considerando las placas del piso. Un piso se puede revestir fácilmente sin espacios utilizando piezas idénticas de, por ejemplo, formas triangulares, cuadradas o hexagonales, repitiendo un patrón simple. Pero un planola superficie también se puede cubrir completamente con patrones no repetitivos, y eso al usar solo dos tipos de mosaicos romboidales, como el famoso físico y matemático inglés Roger Penrose ha demostrado de manera famosa. En ese caso, incluso si las configuraciones locales aparecen en diferentes lugares,El patrón no puede superponerse consigo mismo mediante traslación y rotación. Como tal, estos sistemas ocupan algún tipo de punto medio entre las estructuras periódicas y desordenadas al azar.
En ese término medio, hay una física intrigante por explorar. Tome un cristal perfectamente ordenado. Allí, la periodicidad permite la propagación de electrones en forma de onda a través del material, por ejemplo en un metal. Si la perfección cristalina se perturba al introducir el desorden,el comportamiento cambia. Para niveles bajos de desorden, el material todavía conduce, pero no tan bien. Sin embargo, a cierto nivel de desorden, los electrones dejan de propagarse y se localizan colectivamente, en un proceso conocido como localización de Anderson. Para redes periódicas, este efecto tienese describió por primera vez en 1958 en 1977, el premio Nobel de Física Philip Anderson, fallecido el 29 de marzo de este año. Pero la forma en que se desarrollan estos procesos en las estructuras cuasiperiódicas sigue siendo un área de investigación activa.
Interpolación perspicaz
Se ha descrito una amplia gama de fenómenos físicos no convencionales para los sistemas cuasiperiódicos, pero no existe un marco general para tratar la propagación de ondas en estructuras cuasiperiódicas. Sin embargo, existen varios modelos que permiten estudiar aspectos específicos del transporte y la localizaciónDos ejemplos paradigmáticos de tales modelos son los modelos Aubry-André y Fibonacci, cada uno de los cuales describe diferentes fenómenos físicos, especialmente cuando se trata de propiedades de localización.
En el modelo de Aubry-André, hay dos regiones de parámetros distintas en las que las partículas pueden estar en estados 'extendidos' o localizados en el mismo sentido que los electrones pueden propagarse a través de un material o quedar atrapados en un estado aislantePor el contrario, en el modelo de Fibonacci no hay un punto crítico específico que separe los dos regímenes, pero para cualquier parámetro el sistema está en un estado tan crítico entre localizado y extendido. A pesar de sus comportamientos fuertemente contrastantes, los dos modelos están conectados a unootro, y uno puede transformarse continuamente en otro. Esto es algo que Zilberberg, que luego trabajaba en el Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, había demostrado en un trabajo innovador con su colega Yaacov Kraus en 2012. La pregunta que quedaba era cómo ambosse conectan diferentes comportamientos de localización.
acumulando nuevas ideas
Para responder a esa pregunta, Zilberberg con su estudiante de doctorado Antonio Štrkalj y su ex postdoctorado José Lado ahora en la Universidad de Aalto se unieron con los experimentadores del CNRS Jacqueline Bloch y Alberto Amo y su estudiante de doctorado Valentin Goblot ahora en la compañía STMicroelectronics.Los físicos franceses habían perfeccionado una plataforma fotónica, llamadas redes de polaridad de cavidad, en la que la luz puede guiarse a través de nanoestructuras de semiconductores mientras experimentan interacciones similares a las que actúan sobre los electrones que se mueven a través de un cristal. Importantemente, encontraron formas de generar cuasiperiódicosmodulaciones en sus cables fotónicos que les permitieron implementar experimentalmente, por primera vez en cualquier sistema, el modelo Kraus-Zilberberg. Los experimentos de espectroscopía óptica realizados localmente en estos cuasicristales fotónicos ofrecen la posibilidad exquisita de obtener imágenes de localización de luz directamente en los sistemas.
Al combinar sus herramientas teóricas y experimentales, los investigadores pudieron rastrear cómo evoluciona el modelo de Aubry-André para volverse completamente crítico en el límite del modelo de Fibonacci. Con una expectativa ingenua contraria, el equipo demostró que esto no sucede sin problemascamino, pero a través de una cascada de transiciones de localización y deslocalización. Partiendo, por ejemplo, de la región del modelo de Aubry-André donde se localizan las partículas, en cada paso del proceso de la cascada, las bandas de energía se fusionan en una transición de fase, durante la cual las partículas sonpasando a través del material. Al otro lado de la transición en cascada, la localización se duplica aproximadamente, enviando los estados del modelo de Aubry-André gradualmente hacia la crítica total a medida que se transforma en el modelo de Fibonacci.
La situación tiene cierta semejanza con lo que le sucede a una pila de arroz a medida que se agregan granos uno por uno. Durante algún tiempo, los granos recién agregados simplemente se quedarán donde aterrizaron. Pero una vez que la pendiente en el lugar de aterrizaje excede una inclinación crítica,se induce una avalancha local, lo que lleva a una reorganización de partes de la superficie de la pila. La repetición del proceso finalmente conduce a una pila estacionaria donde un grano adicional puede desencadenar una avalancha en cualquiera de las escalas de tamaño relevantes, un estado "crítico".En los sistemas cuasiperiódicos, la situación es más compleja debido a la naturaleza cuántica de las partículas involucradas, lo que significa que no se mueven como partículas, sino que interfieren como las ondas. Pero también en este contexto, la evolución hacia un estado crítico general ocurre, como en la pila de arroz, a través de una cascada de transiciones discretas.
Con la descripción teórica y la observación experimental de esta cascada a la criticidad, los equipos han conectado con éxito los fenómenos cuánticos en dos modelos paradigmáticos de cadenas cuasiperiódicas, agregando una visión única sobre el surgimiento de la criticidad. Además, desarrollaron una plataforma experimental flexible para exploraciones adicionales.La importancia de estos experimentos va más allá de las propiedades de la luz. El comportamiento de los electrones, los átomos y otras entidades cuánticas se rige por la misma física, lo que podría inspirar nuevas formas de control cuántico en los dispositivos. Así como el atractivo de los patrones cuasiperiódicos trasciende las disciplinas,el potencial para inspirar avances científicos y eventualmente tecnológicos parece igualmente ilimitado.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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