Representaciones tridimensionales de trayectorias de electrones en resonadores circulares de grafeno, y sus proyecciones en el plano horizontal. Un campo magnético débil deforma el tipo clásico de órbita atómica (izquierda) en el tipo de salto con bucles externos (derecha). Debido a la fase topológica de Berry inherente a las funciones de onda de los electrones en el grafeno, la transición entre ellos implica un salto repentino en el nivel de energía de la mecánica cuántica. Crédito:Christopher Gutiérrez, Jon Wyrick, CNST / NIST
Cuando una bailarina hace piruetas, girando una revolución completa, tiene el mismo aspecto que tenía cuando empezó. Pero para los electrones y otras partículas subatómicas, que siguen las reglas de la teoría cuántica, eso no es necesariamente así. Cuando un electrón se mueve por un camino cerrado, terminando donde comenzó, su estado físico puede o no ser el mismo que cuando se fue.
Ahora, hay una forma de controlar el resultado, gracias a un grupo de investigación internacional dirigido por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). El equipo ha desarrollado el primer interruptor que enciende y apaga este misterioso comportamiento cuántico. El descubrimiento promete proporcionar una nueva perspectiva de los fundamentos de la teoría cuántica y puede conducir a nuevos dispositivos electrónicos cuánticos.
Para estudiar esta propiedad cuántica, El físico y colega del NIST Joseph A. Stroscio y sus colegas estudiaron electrones acorralados en órbitas especiales dentro de una región de grafeno del tamaño de un nanómetro, un ultrafuerte, capa única de átomos de carbono muy compactos. Los electrones acorralados orbitan el centro de la muestra de grafeno al igual que los electrones orbitan el centro de un átomo. Los electrones en órbita normalmente conservan las mismas propiedades físicas exactas después de recorrer un circuito completo en el grafeno. Pero cuando un campo magnético aplicado alcanza un valor crítico, actúa como un interruptor, alterando la forma de las órbitas y haciendo que los electrones posean diferentes propiedades físicas después de completar un circuito completo.
Los investigadores informan sus hallazgos en el 26 de mayo, 2017, cuestión de Ciencias .
El interruptor cuántico recientemente desarrollado se basa en una propiedad geométrica llamada fase Berry, el nombre del físico inglés Sir Michael Berry, quien desarrolló la teoría de este fenómeno cuántico en 1983. La fase Berry está asociada con la función de onda de una partícula, que en teoría cuántica describe el estado físico de una partícula. La función de onda (piense en una ola del océano) tiene una amplitud (la altura de la ola) y una fase:la ubicación de un pico o valle en relación con el inicio del ciclo de la ola.
Estas imágenes muestran las trayectorias orbitales de los electrones atrapados dentro de una región circular dentro del grafeno. En la órbita clásica (imagen superior), un electrón que viaja en un circuito completo tiene el mismo estado físico que cuando comenzó en el camino. Sin embargo, cuando un campo magnético aplicado alcanza un valor crítico, (imagen inferior), un electrón que completa un circuito tiene un estado físico diferente al original. El cambio se llama fase Berry y el campo magnético actúa como un interruptor para activar la fase Berry. El resultado es que el electrón se eleva a un nivel de energía más alto. Crédito:Christopher Gutiérrez, Daniel Walkup / NIST
Cuando un electrón hace un circuito completo alrededor de un circuito cerrado para volver a su ubicación inicial, la fase de su función de onda puede cambiar en lugar de volver a su valor original. Este cambio de fase, la fase Berry, es una especie de memoria del viaje de un sistema cuántico y no depende del tiempo, sólo en la geometría del sistema:la forma del camino. Es más, el cambio tiene consecuencias observables en una amplia gama de sistemas cuánticos.
Aunque la fase Berry es un fenómeno puramente cuántico, tiene un análogo en sistemas no cuánticos. Considere el movimiento de un péndulo de Foucault, que se utilizó para demostrar la rotación de la Tierra en el siglo XIX. El péndulo suspendido simplemente se balancea hacia adelante y hacia atrás en el mismo plano vertical, pero parece girar lentamente durante cada oscilación, una especie de cambio de fase, debido a la rotación de la Tierra debajo de ella.
Desde mediados de la década de 1980, Los experimentos han demostrado que varios tipos de sistemas cuánticos tienen una fase Berry asociada. Pero hasta el estudio actual, nadie había construido un interruptor que pudiera encender y apagar la fase Berry a voluntad. El interruptor desarrollado por el equipo, controlado por un pequeño cambio en un campo magnético aplicado, da a los electrones un aumento repentino y grande de energía.
Varios miembros del equipo de investigación actual, con sede en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Harvard, desarrollaron la teoría del cambio de fase de Berry.
Para estudiar la fase Berry y crear el interruptor, El miembro del equipo del NIST, Fereshte Ghahari, construyó un dispositivo de grafeno de alta calidad para estudiar los niveles de energía y la fase Berry de los electrones acorralados dentro del grafeno.
Representaciones tridimensionales de trayectorias de electrones en resonadores circulares de grafeno, y sus proyecciones en la celosía de panal (sombras). Un campo magnético débil deforma el tipo clásico de órbita atómica (izquierda) en el tipo de salto con bucles externos (derecha). Debido a la fase topológica de Berry inherente a las funciones de onda de los electrones en el grafeno, la transición entre ellos implica un salto repentino en el nivel de energía de la mecánica cuántica. Crédito:Christopher Gutiérrez, Jon Wyrick, CNST / NIST
Primero, el equipo confinó los electrones para ocupar ciertas órbitas y niveles de energía. Para mantener los electrones encerrados Daniel Walkup, miembro del equipo, creó una versión cuántica de una cerca eléctrica utilizando impurezas ionizadas en la capa aislante debajo del grafeno. Esto permitió un microscopio de túnel de barrido en las instalaciones de usuarios de nanotecnología del NIST, el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala, para sondear los niveles de energía cuántica y la fase Berry de los electrones confinados.
Luego, el equipo aplicó un campo magnético débil dirigido a la hoja de grafeno. Para los electrones que se mueven en el sentido de las agujas del reloj, el campo magnético creado más apretado, órbitas más compactas. Pero para los electrones que se mueven en órbitas en sentido antihorario, el campo magnético tuvo el efecto contrario, tirando de los electrones en órbitas más amplias. A una intensidad de campo magnético crítica, el campo actuó como un interruptor de fase Berry. Torció las órbitas de los electrones en sentido antihorario, haciendo que las partículas cargadas ejecuten piruetas en el sentido de las agujas del reloj cerca del límite de la cerca eléctrica.
Ordinariamente, estas piruetas tendrían pocas consecuencias. Sin embargo, dice el miembro del equipo Christopher Gutiérrez, "los electrones del grafeno poseen una fase Berry especial, que se enciende cuando se activan estas piruetas inducidas magnéticamente ".
Cuando se activa la fase Berry, los electrones en órbita saltan abruptamente a un nivel de energía más alto. El interruptor cuántico proporciona una rica caja de herramientas científicas que ayudará a los científicos a explotar ideas para nuevos dispositivos cuánticos. que no tienen análogo en los sistemas de semiconductores convencionales, dice Stroscio.
