Más evidencia de que el mundo cuántico es aún más extraño de lo pensado

Un equipo de científicos de la Universidad de Purdue ha informado de nuevas pruebas experimentales de un comportamiento colectivo de los electrones para formar “cuasipartículas” llamadas anyones.

El equipo pudo demostrar este comportamiento al enrutar los electrones a través de una nanoestructura grabada en forma de laberinto específico en un dispositivo a nanoescala llamado interferómetro.

Los anyones tienen características que no se ven en otras partículas subatómicas, incluida la exhibición de carga fraccionada y estadísticas fraccionarias que mantienen una “memoria” de sus interacciones con otras cuasipartículas al inducir cambios de fase de la mecánica cuántica.

El investigador asociado postdoctoral James Nakamura, con la ayuda de los miembros del grupo de investigación Shuang Liang y Geoffrey Gardner, hizo el descubrimiento mientras trabajaba en el laboratorio del profesor Michael Manfra. Manfra es profesor distinguido de física y astronomía, profesor de física y astronomía de la cátedra Bill y Dee O’Brien de Purdue, profesor de ingeniería eléctrica e informática y profesor de ingeniería de materiales.

Aunque este trabajo podría eventualmente resultar relevante para el desarrollo de una computadora cuántica, por ahora, dijo Manfra, debe considerarse un paso importante en la comprensión de la física de las cuasipartículas, según un comunicado de Purdue.

Un artículo de investigación sobre el descubrimiento se publicó en Nature Physics de esta semana.

El físico teórico ganador del Premio Nobel Frank Wilczek, profesor de física en el MIT, dio a estas cuasipartículas el nombre irónico de “anyón” debido a su extraño comportamiento porque, a diferencia de otros tipos de partículas, pueden adoptar “cualquier” fase cuántica cuando intercambian sus posiciones.

Antes de la creciente evidencia de anyones en 2020, los físicos habían categorizado las partículas del mundo conocido en dos grupos: fermiones y bosones. Los electrones son un ejemplo de fermiones y los fotones, que forman la luz y las ondas de radio, son bosones. Una diferencia característica entre fermiones y bosones es cómo actúan las partículas cuando están enrolladas o trenzadas entre sí. Los fermiones responden de una manera sencilla y los bosones de otra manera esperada y sencilla.

Los anyones responden como si tuvieran una carga fraccional. Además, crean un cambio de fase no trivial a medida que se trenzan entre sí. Esto puede dar a las personas un tipo de “memoria” de su interacción.

“Los anyones sólo existen como excitaciones colectivas de electrones en circunstancias especiales”, dijo Manfra. “Pero tienen estas propiedades demostrablemente interesantes, incluida la carga fraccional y las estadísticas fraccionarias. Es gracioso, porque piensas, ‘¿Cómo pueden tener menos carga que la carga elemental de un electrón?’ Pero lo hacen “.

Manfra dijo que cuando se intercambian bosones o fermiones, generan un factor de fase de más uno o menos uno, respectivamente.

Los anyones muestran este comportamiento solo como masas colectivas de electrones, donde muchos electrones se comportan como uno solo en condiciones muy extremas y específicas, por lo que no se cree que se encuentren aislados en la naturaleza, dijo Nakamura.

“Normalmente, en el mundo de la física, pensamos en partículas fundamentales, como protones y electrones, y todas las cosas que componen la tabla periódica”, dijo. “Pero estudiamos la existencia de cuasipartículas, que emergen de un mar de electrones que se colocan en ciertas condiciones extremas”.

Debido a que este comportamiento depende del número de veces que las partículas se trenzan o se enrollan entre sí, son más robustas en sus propiedades que otras partículas cuánticas. Se dice que esta característica es topológica porque depende de la geometría del sistema y eventualmente puede conducir a estructuras anyon mucho más sofisticadas que podrían usarse para construir computadoras cuánticas topológicas estables.

El equipo pudo demostrar este comportamiento al enrutar los electrones a través de una nanoestructura grabada en forma de laberinto específica hecha de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio. Este dispositivo, llamado interferómetro, confinó a los electrones a moverse en una trayectoria bidimensional.

El dispositivo se enfrió hasta una centésima de grado desde el cero absoluto (10 milikelvin) y se sometió a un potente campo magnético de 9 Tesla. La resistencia eléctrica del interferómetro generó un patrón de interferencia que los investigadores denominaron “diagrama de pijama”. Los saltos en el patrón de interferencia fueron la firma de la presencia de anyones.