Fenómeno cuántico desconcertante: cuando los electrones desaparecen lentamente durante el enfriamiento

Por Universidad de Bonn 2 de agosto de 2023

Compuesto por electrones localizados y móviles, aquí divididos por un pulso de luz ultracorto. Crédito: Universidad de Bonn

Los científicos observan un efecto en el mundo cuántico que no existe en el macrocosmos.

Investigadores de la Universidad de Bonn y ETH Zurich han realizado un estudio en profundidad de las transiciones de fase únicas en ciertos metales. Sus hallazgos proporcionan una mejor comprensión de la física cuántica y potencialmente hacen avanzar el campo de la tecnología de la información cuántica.

Cuando se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica, muchas sustancias cambian sus propiedades. Por ejemplo, esta transición de fase se produce cuando el agua se congela. Sin embargo, en ciertos metales existen transiciones de fase que no existen en el macrocosmos. Surgen debido a las leyes especiales de la mecánica cuántica que se aplican en el ámbito de los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza. Se cree que el concepto de electrones como portadores de carga eléctrica cuantificada ya no se aplica cerca de estas transiciones de fase exóticas.

Scientists have now found a way to prove this directly. Their findings allow new insights into the exotic world of quantum physics. The publication, by researchers at the University of Bonn and ETH Zurich, has now been released in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Física de la Naturaleza.

If you cool water below zero degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius (32 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fahrenheit), se solidifica formando hielo. En el proceso, cambia abruptamente sus propiedades. Como hielo, por ejemplo, tiene una densidad mucho menor que en estado líquido. Por eso flotan los cubitos de hielo y los icebergs. En física, esto se conoce como transición de fase.

Pero también hay transiciones de fase en las que los rasgos característicos de una sustancia cambian gradualmente. Si, por ejemplo, un imán de hierro se calienta hasta 760 grados Celsius (1.400 grados Fahrenheit), pierde su atracción hacia otras piezas de metal: entonces ya no es ferromagnético, sino paramagnético. Sin embargo, esto no ocurre de forma abrupta, sino continua: los átomos de hierro se comportan como pequeños imanes.

A bajas temperaturas, están orientados paralelos entre sí. Cuando se calientan, fluctúan cada vez más alrededor de esta posición de reposo hasta que se alinean de forma completamente aleatoria y el material pierde completamente su magnetismo. Entonces, mientras el metal se calienta, puede ser tanto ferromagnético como paramagnético.

Prof. Dr. Hans Kroha con estudiantes. Crédito: Bernadett Yehdou/Universidad de Bonn

La transición de fase se produce así de forma gradual, por así decirlo, hasta que finalmente todo el hierro es paramagnético. En el camino, la transición se ralentiza cada vez más. Este comportamiento es característico de todas las transiciones de fase continuas.

"Lo llamamos 'desaceleración crítica'", explica el Prof. Dr. Hans Kroha del Centro Bethe de Física Teórica de la Universidad de Bonn. "La razón es que con las transiciones continuas, las dos fases se acercan cada vez más energéticamente".

Es similar a colocar una pelota en una rampa: luego rueda cuesta abajo, pero cuanto menor es la diferencia de altitud, más lentamente rueda. Cuando se calienta el hierro, la diferencia de energía entre las fases disminuye cada vez más, en parte porque la magnetización desaparece progresivamente durante la transición.

Esta "desaceleración" es típica de las transiciones de fase basadas en la excitación de bosones. Los bosones son partículas que “generan” interacciones (en las que, por ejemplo, se basa el magnetismo). La materia, en cambio, no está formada por bosones sino por fermiones. Los electrones, por ejemplo, pertenecen a los fermiones.

Las transiciones de fase se basan en el hecho de que las partículas (o también los fenómenos provocados por ellas) desaparecen. Esto significa que el magnetismo del hierro se vuelve cada vez más pequeño a medida que se alinean menos átomos en paralelo. "Sin embargo, los fermiones no pueden destruirse debido a leyes fundamentales de la naturaleza y, por lo tanto, no pueden desaparecer", explica Kroha. "Por eso normalmente nunca participan en las transiciones de fase".

Los electrones pueden unirse a los átomos; entonces tienen un lugar fijo del que no pueden salir. Por el contrario, algunos electrones de los metales se mueven libremente, por lo que estos metales también pueden conducir electricidad. En ciertos materiales cuánticos exóticos, ambas variedades de electrones pueden formar un estado de superposición. Esto produce las llamadas cuasipartículas. En cierto sentido, son inmóviles y móviles al mismo tiempo, una característica que sólo es posible en el mundo cuántico.

Estas cuasipartículas, a diferencia de los electrones “normales”, pueden destruirse durante una transición de fase. Esto significa que allí también se pueden observar las propiedades de una transición de fase continua, en particular una desaceleración crítica.

Hasta ahora, este efecto sólo se podía observar indirectamente en experimentos. Investigadores dirigidos por el físico teórico Hans Kroha y el grupo experimental de Manfred Fiebig en ETH Zurich han desarrollado un nuevo método que permite identificar directamente el colapso de cuasipartículas en una transición de fase, en particular la desaceleración crítica asociada.

"Esto nos ha permitido demostrar directamente por primera vez que una desaceleración de este tipo también puede ocurrir en los fermiones", afirma Kroha, que también es miembro del área de investigación transdisciplinaria "Materia" de la Universidad de Bonn y del Clúster de Excelencia ". Materia y luz para la computación cuántica” de la Fundación Alemana de Investigación. El resultado contribuye a una mejor comprensión de las transiciones de fase en el mundo cuántico. A largo plazo, los hallazgos también podrían ser útiles para aplicaciones en tecnología de la información cuántica.

Referencia: “Desaceleración crítica cerca de una transición de fase cuántica magnética con ruptura fermiónica” por Chia-Jung Yang, Kristin Kliemt, Cornelius Krellner, Johann Kroha, Manfred Fiebig y Shovon Pal, 31 de julio de 2023, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567- 023-02156-7

El estudio se llevó a cabo en colaboración entre ETH Zurich y la Universidad de Bonn. El trabajo fue financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNF) y la Fundación Alemana para la Investigación (DFG).