Un nuevo estudio dirigido por Kimiao Si de la Universidad Rice ha revelado una nueva clase de metales cuánticos críticos, arrojando luz sobre las complejas interacciones de los electrones en los materiales cuánticos. Publicado en carta de revisión física 6 de septiembre, El estudio explora los efectos del acoplamiento de Kondo y los fluidos de espín quirales en estructuras reticulares específicas.
“Los conocimientos de este descubrimiento podrían conducir al desarrollo de dispositivos electrónicos con una sensibilidad extrema impulsada por las propiedades únicas de los sistemas cuánticos críticos”, dijeron Si, Harry C. y Olga K. Weiss Profesor de Física y Astronomía y Director de la Rice Extreme Quantum Materials Alliance.
Transiciones de fase cuántica
En el centro de esta investigación se encuentra el concepto de transiciones de fase cuánticas. Así como el agua cambia entre estados sólido, líquido y gaseoso, los electrones en la materia cuántica pueden moverse entre fases a medida que cambia su entorno. Pero a diferencia del agua, estos electrones siguen las reglas de la mecánica cuántica, lo que lleva a un comportamiento más complejo.
La mecánica cuántica introduce dos efectos clave: las fluctuaciones cuánticas y la topología electrónica. Incluso en el cero absoluto, donde las fluctuaciones térmicas desaparecen, las fluctuaciones cuánticas aún pueden causar cambios en la organización de los electrones, lo que lleva a transiciones de fase cuánticas. Estas transiciones a menudo resultan en propiedades físicas extremas conocidas como criticidad cuántica.
Además, la mecánica cuántica otorga al electrón una propiedad única asociada con la topología, un concepto matemático que puede producir un comportamiento inusual y potencialmente útil cuando se aplica al estado electrónico.
La investigación fue realizada por el grupo de C. en colaboración a largo plazo con Silk Paschen, profesor de física en la Universidad Tecnológica de Viena, y su equipo de investigación. Juntos desarrollaron un modelo teórico para explorar estos efectos cuánticos.
modelo teórico
Los investigadores consideraron dos tipos de electrones: algunos se mueven lentamente, como los coches atrapados en el tráfico, y otros se mueven rápidamente. Aunque los electrones que se mueven lentamente parecen estacionarios, sus espines pueden apuntar en cualquier dirección.
“Normalmente, estos giros formarían un patrón ordenado, pero la red en la que residen en nuestro modelo no permite tal pulcritud, lo que lleva a una frustración geométrica”, dijo See.
En cambio, los espines forman una disposición más fluida conocida como fluido de espín cuántico, que es quiral y elige una dirección en el tiempo. Cuando este fluido de espín se encuentra con electrones que se mueven rápidamente, tiene un efecto topológico.
El equipo de investigación descubrió que este acoplamiento también desencadena una transición a una fase Kondo, donde los espines de los electrones más lentos se unen a los más rápidos. La investigación revela la compleja interacción entre la topología electrónica y las transiciones de fase cuánticas.
Transporte electrico general
Cuando los electrones pasan por esta transición, su comportamiento cambia drásticamente, especialmente en su forma de conducir la electricidad.
Uno de los hallazgos más notables es el efecto, que describe cómo una corriente eléctrica se curva bajo la influencia de un campo magnético externo, dijo Paschen.
“El efecto Hall tiene un componente que es posible gracias a la topología electrónica”, dijo. “Demostramos que este efecto es un salto repentino a través del punto crítico cuántico”.
Implicaciones para las tecnologías futuras
Este descubrimiento mejora nuestra comprensión de los materiales cuánticos y abre nuevas posibilidades para tecnologías futuras. Una parte importante de los hallazgos del equipo de investigación es que el efecto Hall responde fuertemente a las transiciones de fase cuánticas, dijo See.
“Gracias a la topología, esta respuesta se produce en un campo magnético diminuto”, afirmó.
Estas propiedades inusuales pueden conducir al desarrollo de nuevos tipos de dispositivos electrónicos, como sensores con extrema sensibilidad, que podrían revolucionar campos como el diagnóstico médico o la monitorización ambiental.
Los coautores del estudio incluyen a Wenxin Ding de la Universidad de Anhui en China, ex becario postdoctoral en el grupo AC de Rice, y la alumna de Rice Sarah Graef ’17 de la Universidad Estatal de California.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, Robert A. fue apoyado por la Fundación Welch y una beca docente Vannevar Bush.