Un nuevo descubrimiento dirigido por la Universidad de Princeton podría alterar nuestra comprensión de cómo se comportan los electrones en condiciones extremas en materiales cuánticos. El hallazgo proporciona evidencia experimental de que este bloque de construcción familiar de materia se comporta como si estuviera hecho de dos partículas: una partícula que dael electrón es su carga negativa y otro que proporciona su propiedad de imán, conocida como espín.
"Creemos que esta es la primera evidencia sólida de separación entre espín y carga", dijo Nai Phuan Ong, profesor de Física Eugene Higgins de Princeton y autor principal del artículo publicado esta semana en la revista Física de la naturaleza .
Los resultados experimentales cumplen una predicción hecha hace décadas para explicar uno de los estados más alucinantes de la materia, el líquido de espín cuántico. En todos los materiales, el espín de un electrón puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En el imán familiar,todos los espines apuntan uniformemente en una dirección a lo largo de la muestra cuando la temperatura cae por debajo de una temperatura crítica.
Sin embargo, en materiales líquidos de giro, los giros no pueden establecer un patrón uniforme incluso cuando se enfrían muy cerca del cero absoluto. En cambio, los giros cambian constantemente en una coreografía estrechamente coordinada y entrelazada. El resultado es uno de los más enredadosestados cuánticos jamás concebidos, un estado de gran interés para los investigadores en el creciente campo de la computación cuántica.
Para describir este comportamiento matemáticamente, el físico de Princeton ganador del premio Nobel Philip Anderson 1923-2020, quien predijo por primera vez la existencia de líquidos de espín en 1973, propuso una explicación: en el régimen cuántico, un electrón puede considerarse compuesto de dospartículas, una con carga negativa del electrón y la otra con su espín. Anderson llamó espinón a la partícula que contiene espín.
En este nuevo estudio, el equipo buscó signos del espinón en un líquido de giro compuesto de átomos de rutenio y cloro. A temperaturas de una fracción de Kelvin por encima del cero absoluto o aproximadamente -452 grados Fahrenheit y en presencia de uncampo magnético alto, los cristales de cloruro de rutenio entran en el estado líquido de giro.
El estudiante de posgrado Peter Czajka y Tong Gao, Ph.D.2020, conectaron tres termómetros altamente sensibles al cristal sentado en un baño mantenido a temperaturas cercanas a los cero grados Kelvin absolutos. Luego aplicaron el campo magnético y una pequeña cantidad de calora un borde de cristal para medir su conductividad térmica, una cantidad que expresa qué tan bien conduce una corriente de calor. Si los espinones estuvieran presentes, deberían aparecer como un patrón oscilante en un gráfico de la conductividad térmica versus el campo magnético.
La señal oscilante que estaban buscando era pequeña, solo unas pocas centésimas de cambio de grado, por lo que las mediciones exigieron un control extraordinariamente preciso de la temperatura de la muestra, así como calibraciones cuidadosas de los termómetros en el fuerte campo magnético.
El equipo utilizó los cristales más puros disponibles, los cultivados en el Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del Departamento de Energía de EE. UU. Bajo el liderazgo de David Mandrus, profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Tennessee-Knoxville, y Stephen Nagler, investigador corporativo.en la División de Dispersión de Neutrones de ORNL. El equipo de ORNL ha estudiado extensamente las propiedades líquidas de espín cuántico del cloruro de rutenio.
En una serie de experimentos llevados a cabo durante casi tres años, Czajka y Gao detectaron oscilaciones de temperatura consistentes con espinones con una resolución cada vez más alta, lo que proporciona evidencia de que el electrón está compuesto por dos partículas consistentes con la predicción de Anderson.
"La gente ha estado buscando esta firma durante cuatro décadas", dijo Ong, "si este hallazgo y la interpretación del espinón se validan, avanzaría significativamente en el campo de los líquidos de espín cuántico".
Czajka y Gao pasaron el verano pasado confirmando los experimentos mientras estaban bajo restricciones de COVID que les obligaban a usar máscaras y mantener el distanciamiento social.
"Desde el lado puramente experimental", dijo Czajka, "fue emocionante ver resultados que de hecho rompen las reglas que se aprenden en las clases de física elemental".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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