Pensándolo bien...
El concepto de estados cuánticos se refiere a las características particulares que puede adoptar un sistema físico a nivel subatómico, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica. Un estado cuántico es una descripción completa de un sistema a esa escala y se representa matemáticamente mediante una función de onda. La evolución de un sistema cuántico en el tiempo está determinada por la ecuación de Schrödinger.
Sin embargo, nuestro interés se dirige hacia los estados de la materia a nivel macroscópico. Desde tiempo inveterado nos enseñan que la materia puede estar en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Pero a nivel cuántico y bajo ciertas condiciones, la materia puede adoptar estados que se suelen calificar como bastante más exóticos. Uno de los es el Plasma, al que se califica como el cuarto estado clásico de la materia, y consiste en un gas ionizado en el que los átomos o moléculas están parcialmente o totalmente ionizados. Es decir, han perdido o ganado electrones, resultando una mezcla de iones positivos y electrones libres. El plasma es común en las estrellas y en la Tierra se puede encontrar en luces de neón o en pantallas de plasma. Otro de los estados cuánticos genuinos es el denominado condensado de Bose-Einstein, que lo podemos observar bajo temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto, en que ciertas partículas con espín entero (bosones) pueden condensarse en el estado de energía más bajo disponible y actuar como una única entidad cuántica. Es un estado de la materia que fue predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en 1924-25. Otro estado cuántico es el de los superfluidos, que son fluidos que tienen viscosidad cero, lo que significa que pueden fluir sin resistencia. A bajas temperaturas, ciertos líquidos, como el He4, pueden convertirse en superfluidos y mostrar propiedades cuánticas a escalas macroscópicas. También tenemos otro estado cuántico en los denominados superconductores, que son materiales que, cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura crítica, conducen la electricidad sin resistencia. Esto significa que un superconductor puede transportar una corriente eléctrica indefinidamente sin pérdida de energía. Por último, también tenemos que incluir los denominados cristales de tiempo, que son sistemas que tienen un orden temporal en lugar de un orden espacial. En un cristal convencional, la disposición regular y repetida de átomos en el espacio forma una estructura que llamamos retículo. En un cristal de tiempo, es la regularidad y repetición en el tiempo lo que define la estructura. Aunque son una propuesta teórica reciente, los cristales de tiempo ya se han observado experimentalmente en ciertos sistemas.
Estos estados de la materia, derivados de las propiedades cuánticas, todavía están siendo estudiados y explorados a nivel de investigación fundamental y pueden tener importantes aplicaciones tecnológicas en el futuro. Pero se acaba de proponer por investigadores de la Universidad de Cornell, un nuevo estado cuántico en un material superconductor exótico que se ha denominado superconductor topológico. Se trata de materiales que tienen pares de electrones en estados triplete orientados en la misma dirección. El material en el que lo descubrieron es el diteluuro de uranio, UTe2, publicado por primera vez en 2021 en la revista Nature. Se trata de un estado topológico de ondas de densidad de pares (PDW), que en los superconductores se encuentra cuando pares de electrones forman patrones cristalinos periódicos en el espacio. Hasta ahora no se había encontrado materia cuántica semejante.
Los estados topológicos de la materia son fases cuánticas que no se pueden describir mediante la simetría local convencional, pero en lugar de ello, tienen propiedades topológicas invariantes. Estas propiedades dan lugar a características muy especiales, como bordes o superficies con estados conductores protegidos por simetría, mientras que el resto del material, el volumen, es aislante. Y el término "ondas de densidad de pares" se refiere a una serie de fenómenos cuánticos colectivos, concretamente a estados de materia donde los electrones en un material forman patrones periódicos de densidad, en lugar de distribuirse uniformemente. Estos fenómenos suelen surgir en ciertos sistemas de baja dimensionalidad y están relacionados con las interacciones entre electrones.
La combinación de estados topológicos con ondas de densidad de pares es un área de estudio en la frontera de la investigación en física de la materia condensada. La idea es investigar cómo las ondas de densidad de pares (y fenómenos relacionados) pueden influir o ser influidas por las propiedades topológicas de un material. Esta combinación puede dar lugar a nuevos estados exóticos de la materia y a posibles aplicaciones en dispositivos cuánticos. Dicho de forma más simple, se busca entender cómo las interacciones entre electrones, que dan lugar a ondas de densidad de pares, pueden coexistir o competir con estados topológicos de la materia y determinar cuáles son las consecuencias de dicha interacción.
Uno de los investigadores del equipo que descubrió el primer material que exhibía las ondas de densidad de pares, que ocurrió en 2016, Qiangqiang Gu, describe que utilizando el microscopio de túnel Josephson, escaneando con punta superconductora, construido en el proyecto citado de la Universidad de Cornell, visualizaron las modulaciones espaciales del potencial de emparejamiento superconductor a escala atómica y detectaron que se modula exactamente como se predijo en un estado de ondas de densidad de pares. Esto les llevó a concluir que habían detectado un nuevo estado de la materia cuántica consistente en una onda de densidad de pares topológicos compuesta por pares de Cooper de espín triplete.
En estos compuestos descubiertos, están implicados pares de electrones congelados en un estado superconductor, en lugar de formar un fluido superconductor convencional en el que los electrones se mueven libremente en el mismo estado cuántico. La aportación es significativa, por cuanto, hasta ahora, el único material que mostraba superconductividad en el estado triplete era el He3 superfluido, que es un isótopo del helio que tiene propiedades muy distintas al isótopo más común, el He4. Mientras que éste último se convierte en un superfluido a temperaturas por debajo de unos 2.17 K, el He3 también puede convertirse en superfluido, pero a temperaturas mucho más bajas, por debajo de, aproximadamente, 0.0025 K.
Elementos de interés en el superfluido de He3 se han destacado que mientras que los átomos de He4 son bosones (partículas con espín entero), los átomos de He3 son fermiones (partículas con espín medio-entero). Según las estadísticas cuánticas, los fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente. Sin embargo, bajo ciertas condiciones a bajas temperaturas, los fermiones pueden formar pares, actuando efectivamente como bosones, lo que les permite condensarse en un estado superfluido. Estas parejas en el caso del He3 son análogas a los pares de Cooper en los superconductores. Por otro lado, hay varias fases diferentes de superfluido en el He3, dependiendo de la temperatura y la presión. Estas fases son denominadas A y B, y tienen diferentes propiedades y estructuras de apareamiento. Respecto a las propiedades topológicas, en el superfluido He3 se ha revelado la existencia de excitaciones con propiedades topológicas,, conocidas como vórtices y bordes, que han sido estudiadas como análogos a ciertos estados topológicos de la materia en sistemas más complicados. Finalmente, destacar que el estudio del superfluido He3 llevó al Premio Nobel de Física en 2003, laureando a Vitaly L. Ginzburg, Alexei A. Abrikosov y Anthony J. Leggett, por su trabajo en el superfluido y en fenómenos relacionados en superconductores, lo que contribuyó significativamente a nuestra comprensión de la física de la materia condensada a bajas temperaturas.
El superfluido He3 es un sistema modelo en la física de la materia condensada y ha proporcionado una plataforma para probar muchas ideas en física cuántica, desde la teoría BCS de superconductividad y superfluidez hasta conceptos más modernos en topología cuántica. Es una manifestación sorprendente de cómo el comportamiento colectivo en sistemas cuánticos puede dar lugar a fenómenos inesperados y ricos en detalles.
Hasta ahora, el superfluido He3, era el único material que mostraba superconductividad a granel, digamos en esto triplete. La aportación actual implica pares de electrones congelados en un estado superconductor, en lugar de formar un fluido superconductor convencional en el que los electrones se mueven libremente en el mismo estado cuántico, como acabamos de describir en el superfluido He3. Se trata de compuestos superconductores de fermiones en materiales pesados como el uranio. Propiedades nuevas en materiales que proporcionan la opción de disponer de superconductividad topológica. Podría tener incidencia notable en las tecnologías cuánticas implicadas en áreas como la computación cuántica o la espintrónica. La aportación significativa es la de que estos tipos de superconductores tienen interés al mantener estados cuánticos ultraestables, lo que ofrece un material de interés extraordinario para la computación cuántica.
Sin embargo, nuestro interés se dirige hacia los estados de la materia a nivel macroscópico. Desde tiempo inveterado nos enseñan que la materia puede estar en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Pero a nivel cuántico y bajo ciertas condiciones, la materia puede adoptar estados que se suelen calificar como bastante más exóticos. Uno de los es el Plasma, al que se califica como el cuarto estado clásico de la materia, y consiste en un gas ionizado en el que los átomos o moléculas están parcialmente o totalmente ionizados. Es decir, han perdido o ganado electrones, resultando una mezcla de iones positivos y electrones libres. El plasma es común en las estrellas y en la Tierra se puede encontrar en luces de neón o en pantallas de plasma. Otro de los estados cuánticos genuinos es el denominado condensado de Bose-Einstein, que lo podemos observar bajo temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto, en que ciertas partículas con espín entero (bosones) pueden condensarse en el estado de energía más bajo disponible y actuar como una única entidad cuántica. Es un estado de la materia que fue predicho por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein en 1924-25. Otro estado cuántico es el de los superfluidos, que son fluidos que tienen viscosidad cero, lo que significa que pueden fluir sin resistencia. A bajas temperaturas, ciertos líquidos, como el He4, pueden convertirse en superfluidos y mostrar propiedades cuánticas a escalas macroscópicas. También tenemos otro estado cuántico en los denominados superconductores, que son materiales que, cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura crítica, conducen la electricidad sin resistencia. Esto significa que un superconductor puede transportar una corriente eléctrica indefinidamente sin pérdida de energía. Por último, también tenemos que incluir los denominados cristales de tiempo, que son sistemas que tienen un orden temporal en lugar de un orden espacial. En un cristal convencional, la disposición regular y repetida de átomos en el espacio forma una estructura que llamamos retículo. En un cristal de tiempo, es la regularidad y repetición en el tiempo lo que define la estructura. Aunque son una propuesta teórica reciente, los cristales de tiempo ya se han observado experimentalmente en ciertos sistemas.
Estos estados de la materia, derivados de las propiedades cuánticas, todavía están siendo estudiados y explorados a nivel de investigación fundamental y pueden tener importantes aplicaciones tecnológicas en el futuro. Pero se acaba de proponer por investigadores de la Universidad de Cornell, un nuevo estado cuántico en un material superconductor exótico que se ha denominado superconductor topológico. Se trata de materiales que tienen pares de electrones en estados triplete orientados en la misma dirección. El material en el que lo descubrieron es el diteluuro de uranio, UTe2, publicado por primera vez en 2021 en la revista Nature. Se trata de un estado topológico de ondas de densidad de pares (PDW), que en los superconductores se encuentra cuando pares de electrones forman patrones cristalinos periódicos en el espacio. Hasta ahora no se había encontrado materia cuántica semejante.
Los estados topológicos de la materia son fases cuánticas que no se pueden describir mediante la simetría local convencional, pero en lugar de ello, tienen propiedades topológicas invariantes. Estas propiedades dan lugar a características muy especiales, como bordes o superficies con estados conductores protegidos por simetría, mientras que el resto del material, el volumen, es aislante. Y el término "ondas de densidad de pares" se refiere a una serie de fenómenos cuánticos colectivos, concretamente a estados de materia donde los electrones en un material forman patrones periódicos de densidad, en lugar de distribuirse uniformemente. Estos fenómenos suelen surgir en ciertos sistemas de baja dimensionalidad y están relacionados con las interacciones entre electrones.
La combinación de estados topológicos con ondas de densidad de pares es un área de estudio en la frontera de la investigación en física de la materia condensada. La idea es investigar cómo las ondas de densidad de pares (y fenómenos relacionados) pueden influir o ser influidas por las propiedades topológicas de un material. Esta combinación puede dar lugar a nuevos estados exóticos de la materia y a posibles aplicaciones en dispositivos cuánticos. Dicho de forma más simple, se busca entender cómo las interacciones entre electrones, que dan lugar a ondas de densidad de pares, pueden coexistir o competir con estados topológicos de la materia y determinar cuáles son las consecuencias de dicha interacción.
Uno de los investigadores del equipo que descubrió el primer material que exhibía las ondas de densidad de pares, que ocurrió en 2016, Qiangqiang Gu, describe que utilizando el microscopio de túnel Josephson, escaneando con punta superconductora, construido en el proyecto citado de la Universidad de Cornell, visualizaron las modulaciones espaciales del potencial de emparejamiento superconductor a escala atómica y detectaron que se modula exactamente como se predijo en un estado de ondas de densidad de pares. Esto les llevó a concluir que habían detectado un nuevo estado de la materia cuántica consistente en una onda de densidad de pares topológicos compuesta por pares de Cooper de espín triplete.
En estos compuestos descubiertos, están implicados pares de electrones congelados en un estado superconductor, en lugar de formar un fluido superconductor convencional en el que los electrones se mueven libremente en el mismo estado cuántico. La aportación es significativa, por cuanto, hasta ahora, el único material que mostraba superconductividad en el estado triplete era el He3 superfluido, que es un isótopo del helio que tiene propiedades muy distintas al isótopo más común, el He4. Mientras que éste último se convierte en un superfluido a temperaturas por debajo de unos 2.17 K, el He3 también puede convertirse en superfluido, pero a temperaturas mucho más bajas, por debajo de, aproximadamente, 0.0025 K.
Elementos de interés en el superfluido de He3 se han destacado que mientras que los átomos de He4 son bosones (partículas con espín entero), los átomos de He3 son fermiones (partículas con espín medio-entero). Según las estadísticas cuánticas, los fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico simultáneamente. Sin embargo, bajo ciertas condiciones a bajas temperaturas, los fermiones pueden formar pares, actuando efectivamente como bosones, lo que les permite condensarse en un estado superfluido. Estas parejas en el caso del He3 son análogas a los pares de Cooper en los superconductores. Por otro lado, hay varias fases diferentes de superfluido en el He3, dependiendo de la temperatura y la presión. Estas fases son denominadas A y B, y tienen diferentes propiedades y estructuras de apareamiento. Respecto a las propiedades topológicas, en el superfluido He3 se ha revelado la existencia de excitaciones con propiedades topológicas,, conocidas como vórtices y bordes, que han sido estudiadas como análogos a ciertos estados topológicos de la materia en sistemas más complicados. Finalmente, destacar que el estudio del superfluido He3 llevó al Premio Nobel de Física en 2003, laureando a Vitaly L. Ginzburg, Alexei A. Abrikosov y Anthony J. Leggett, por su trabajo en el superfluido y en fenómenos relacionados en superconductores, lo que contribuyó significativamente a nuestra comprensión de la física de la materia condensada a bajas temperaturas.
El superfluido He3 es un sistema modelo en la física de la materia condensada y ha proporcionado una plataforma para probar muchas ideas en física cuántica, desde la teoría BCS de superconductividad y superfluidez hasta conceptos más modernos en topología cuántica. Es una manifestación sorprendente de cómo el comportamiento colectivo en sistemas cuánticos puede dar lugar a fenómenos inesperados y ricos en detalles.
Hasta ahora, el superfluido He3, era el único material que mostraba superconductividad a granel, digamos en esto triplete. La aportación actual implica pares de electrones congelados en un estado superconductor, en lugar de formar un fluido superconductor convencional en el que los electrones se mueven libremente en el mismo estado cuántico, como acabamos de describir en el superfluido He3. Se trata de compuestos superconductores de fermiones en materiales pesados como el uranio. Propiedades nuevas en materiales que proporcionan la opción de disponer de superconductividad topológica. Podría tener incidencia notable en las tecnologías cuánticas implicadas en áreas como la computación cuántica o la espintrónica. La aportación significativa es la de que estos tipos de superconductores tienen interés al mantener estados cuánticos ultraestables, lo que ofrece un material de interés extraordinario para la computación cuántica.
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