En los últimos años, algunos materiales se han convertido en terrenos de prueba para los físicos. Estos materiales no están hechos exactamente de nada especial: partículas ordinarias, protones, neutrones y electrones. Pero son más que la suma de sus partes. Estos materiales tienen toda una gama de propiedades y fenómenos interesantes y, en ocasiones, incluso llevaron a los físicos a nuevos estados de la materia, además de sólidos, gaseosos y líquidos, que conocemos desde la infancia.
Un tipo de material que preocupa especialmente a los físicos es el aislante topológico y, más ampliamente, las fases topológicas, cuyos fundamentos teóricos llevaron a sus inventores al Premio Nobel en 2016. En la superficie de un aislante topológico, los electrones fluyen suavemente, pero por dentro permanecen inmóviles. La superficie es como un conductor metálico y el interior como un aislante cerámico. Los aislantes topológicos han atraído la atención por su física inusual, así como por sus posibles aplicaciones en computadoras cuánticas y los llamados dispositivos espintrónicos que utilizan el espín de los electrones y su carga.
Este comportamiento exótico no siempre es obvio. “No se puede decir simplemente eso, considerando un material en el sentido tradicional, tenga o no este tipo de propiedades”, dice Frank Wilczek, físico del MIT y premio Nobel de Física en 2004.
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¿Qué más es una atmósfera cuántica?
Resulta que muchos materiales aparentemente ordinarios pueden contener propiedades ocultas, pero inusuales y, posiblemente, útiles. En un artículo publicado recientemente, Vilchek y Kin-Dong Zhang, físico de la Universidad de Estocolmo, propusieron una nueva forma de explorar tales propiedades: estudiando el aura sutil que rodea el material. Lo llamaron atmósfera cuántica.
Esta atmósfera podría revelar algunas de las propiedades cuánticas fundamentales del material que los físicos podrían medir. Si se confirma mediante experimentos, este fenómeno no solo será una de las pocas manifestaciones macroscópicas de la mecánica cuántica, dice Wilchek, sino que también se convertirá en una poderosa herramienta para investigar nuevos materiales.
“Si me preguntaran si podría pasar algo como esto, diría que la idea tiene sentido”, dice Taylor Hughes, un teórico de la materia condensada de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Y agrega: "Supongo que el efecto será muy débil". Sin embargo, en su nuevo análisis, Zhang y Vilchek calcularon que, en principio, el efecto atmosférico cuántico estaría dentro del rango detectable.
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Además, señala Wilchek, estos efectos pueden detectarse muy pronto.
Área de impacto
La atmósfera cuántica, explica Wilczek, es una zona delgada de influencia alrededor de un material. De la mecánica cuántica se deduce que el vacío no está completamente vacío; está lleno de fluctuaciones cuánticas. Por ejemplo, si toma dos placas sin cargar y las coloca una al lado de la otra en el vacío, solo las fluctuaciones cuánticas con longitudes de onda más cortas que la distancia entre las placas pueden apretarse entre ellas. Pero desde el exterior, las fluctuaciones de todas las longitudes de onda caerán sobre las placas. Habrá más energía afuera que adentro, lo que hará que la fuerza combinada apriete las placas juntas. Este es el efecto Casimir y es similar al efecto de la atmósfera cuántica, dice Wilczek.
Así como una placa detecta una fuerza más fuerte cuando se acerca a otra, una sonda de aguja sentirá los efectos de la atmósfera cuántica cuando se acerque a un material. "Es como una atmósfera normal", dice Wilchek. "Cuanto más cerca estés de él, mayor será su impacto". Y la naturaleza de este impacto depende de las propiedades cuánticas del propio material.
El antimonio puede actuar como aislante topológico - material que funciona como aislante en todas partes excepto en la superficie.
Estas propiedades pueden ser muy diferentes. Algunos materiales actúan como universos separados con sus propias leyes físicas, como si estuvieran en el multiverso de materiales. “Una idea muy importante en la física de la materia condensada moderna es que tenemos materiales a nuestra disposición, digamos, aislantes topológicos, dentro de los cuales hay diferentes conjuntos de reglas”, dice Peter Armitage, físico de materia condensada de la Universidad Johns Hopkins.
Algunos materiales actúan como monopolos magnéticos: imanes puntuales con un polo norte pero sin polo sur. Los físicos también han descubierto las llamadas cuasipartículas y cuasipartículas de carga eléctrica fraccionada, que actúan como su propia antimateria y pueden aniquilarse.
Si existieran propiedades exóticas similares en otros materiales, podrían revelarse en atmósferas cuánticas. Se podría descubrir una gran cantidad de nuevas propiedades simplemente sondeando las atmósferas de los materiales, dice Wilchek.
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Para demostrar su idea, Zhang y Wilchek se centraron en un conjunto inusual de reglas, la electrodinámica de axiones, que puede conducir a propiedades únicas. A Wilchek se le ocurrió esta teoría en 1987 para demostrar cómo una partícula hipotética llamada axión podría interactuar con la electricidad y el magnetismo. (Antes de eso, los físicos habían propuesto un axión para resolver uno de los mayores misterios de la física: por qué las interacciones que involucran una fuerza fuerte siguen siendo las mismas si las partículas se reemplazan por antipartículas y se reflejan en un espejo, preservando la simetría de carga y paridad (simetría CP). Hasta ese día, nadie había encontrado ninguna. confirmación de la existencia de axiones, aunque no hace mucho tiempo se ha incrementado el interés por ellos como candidatos a la materia oscura.
Si bien estas reglas no funcionarán en la mayoría de los lugares del universo, se manifiestan bastante dentro de un material, como un aislante topológico. “La forma en que los campos electromagnéticos interactúan en estas nuevas sustancias, los aislantes topológicos, es esencialmente la misma que si estuvieran interactuando con una colección de axiones”, dice Wilczek.
Defectos en diamantes
Si un material como un aislante topológico obedece a las leyes de la electrodinámica axional, su atmósfera cuántica puede reaccionar a cualquier cosa que lo cruce. Zhang y Vilchek calcularon que tal efecto sería similar a la manifestación de un campo magnético. En particular, encontraron que si pones un sistema particular de átomos o moléculas en la atmósfera, sus niveles de energía cuántica cambian. Los científicos pueden medir el cambio en estos niveles utilizando métodos de laboratorio estándar. “Es una idea inusual pero interesante”, dice Armitage.
Uno de estos sistemas potenciales es una sonda de diamante con las llamadas vacantes sustituidas por nitrógeno (centros NV). Un centro NV es una especie de defecto en la estructura cristalina de un diamante, cuando un átomo de carbono de un diamante es reemplazado por un átomo de nitrógeno y un lugar cercano al nitrógeno permanece vacío. El estado cuántico de dicho sistema es muy sensible, lo que permite que los centros NV detecten incluso los campos magnéticos más débiles. Esta propiedad los convierte en potentes sensores que se pueden utilizar para una amplia variedad de propósitos en geología y biología.
El artículo de Zhang y Vilchek, que enviaron a Physical Review Letters, solo describe la influencia atmosférica cuántica derivada de la electrodinámica axiónica. Para determinar qué otras propiedades afectan la atmósfera, dice Wilchek, es necesario realizar otros cálculos.
Rompiendo la simetría
En esencia, las propiedades que revelan las atmósferas cuánticas están representadas por simetrías. Las diversas fases de una sustancia, y las propiedades que les corresponden, se pueden representar en forma de simetrías. En un cristal sólido, por ejemplo, los átomos están dispuestos en una red simétrica que se desplaza o gira para formar patrones de cristal idénticos. Cuando se calienta, los enlaces se rompen, la estructura de celosía se colapsa, el material pierde su simetría y se vuelve líquido en cierto sentido.
Los materiales pueden romper otras simetrías fundamentales, como la simetría de tiempo recíproca, que obedecen la mayoría de las leyes de la física. Los fenómenos pueden ser diferentes si los refleja en un espejo y rompe la simetría de paridad.
Si estas simetrías pueden romperse en el material, entonces podríamos observar transiciones de fase previamente desconocidas y propiedades potencialmente exóticas. El material con cierta ruptura de simetría provocará la misma ruptura en una sonda que pasa a través de la atmósfera cuántica, dice Wilczek. Por ejemplo, en una sustancia que sigue la termodinámica axiónica, las simetrías de tiempo y paridad se rompen, pero en combinación no lo están. Al tocar la atmósfera del material, puede averiguar si rompe la simetría y en qué medida.
Wilchek dice que ya ha discutido la idea con los experimentadores. Además, estos experimentos son bastante factibles, incluso no en años, sino en semanas y meses.
Si todo sale bien, el término "atmósfera cuántica" encontrará un lugar permanente en el léxico de los físicos. Wilczek había acuñado previamente términos como axiones, aniones (cuasipartículas que pueden ser útiles para la computación cuántica) y cristales de tiempo. Las atmósferas cuánticas también pueden persistir.
Ilya Khel
