¿Qué tipo de "partículas" permite la naturaleza? La respuesta está en la teoría de la mecánica cuántica, que describe el mundo microscópico.

En un intento por ampliar los límites de nuestra comprensión del mundo cuántico, Los investigadores de la UC Santa Bárbara han desarrollado un dispositivo que podría probar la existencia de anones no abelianos, una partícula cuántica que se ha predicho matemáticamente que existe en un espacio bidimensional, pero hasta ahora no se ha demostrado de manera concluyente. La existencia de estas partículas allanaría el camino hacia importantes avances en la computación cuántica topológica.

En un estudio que aparece en la revista Naturaleza , la física Andrea Young, su estudiante de posgrado Sasha Zibrov y sus colegas han dado un salto hacia la búsqueda de evidencia concluyente para los anonons no abelianos. Usando grafeno, un material atómicamente delgado derivado del grafito (una forma de carbono), desarrollaron un defecto extremadamente bajo, Dispositivo altamente sintonizable en el que los anyones no abelianos deberían ser mucho más accesibles. Primero, un poco de trasfondo:en nuestro universo tridimensional, Las partículas elementales pueden ser fermiones o bosones:piense en los electrones (fermiones) o en el Higgs (un bosón).

"La diferencia entre estos dos tipos de 'estadísticas cuánticas' es fundamental para el comportamiento de la materia, "Dijo Young. Por ejemplo, los fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico, permitiéndonos empujar electrones en semiconductores y evitando que las estrellas de neutrones colapsen. Los bosones pueden ocupar el mismo estado, conduciendo a fenómenos espectaculares como la condensación de Bose-Einstein y la superconductividad, él explicó. Combina algunos fermiones, como los protones, neutrones y electrones que forman los átomos y puedes obtener cualquier tipo, pero nunca evadir la dicotomía.

En un universo bidimensional, sin embargo, las leyes de la física permiten una tercera posibilidad. Conocido como "anyons, "este tipo de partícula cuántica no es un bosón ni un fermión, sino algo completamente diferente, y algunos tipos de anyons, conocidos como anyons no abelianos, retener un recuerdo de sus estados pasados, codificando información cuántica a largas distancias y formando los bloques de construcción teóricos para las computadoras cuánticas topológicas.

Aunque no vivimos en un universo bidimensional, cuando está confinado a una hoja o placa muy delgada de material, los electrones lo hacen. En este caso, Los anyones pueden emerger como "cuasipartículas" a partir de estados correlacionados de muchos electrones. Perturbando tal sistema, digamos con un potencial eléctrico, lleva a que todo el sistema se reorganice como si alguien se hubiera movido.

La búsqueda de anyones no abelianos comienza identificando los estados colectivos que los albergan. "En los estados de Hall cuánticos fraccionarios, un tipo de estado de electrones colectivos observado solo en muestras bidimensionales en campos magnéticos muy altos, se sabe que las cuasipartículas tienen precisamente una fracción racional de la carga del electrón, lo que implica que son anyons, "Dijo Young.

"Matemáticamente, seguro, Las estadísticas no abelianas están permitidas e incluso se predicen para algunos estados de Hall cuánticos fraccionarios ", continuó. Los científicos en este campo se han visto limitados por la fragilidad de los estados anfitriones en el material semiconductor donde se estudian típicamente. En estas estructuras, los propios estados colectivos aparecen solo a temperaturas excepcionalmente bajas, lo que hace que sea doblemente difícil explorar las propiedades cuánticas únicas de los seres humanos individuales.

El grafeno demuestra ser un material ideal para construir dispositivos para buscar los anónimos esquivos. Pero, mientras los científicos habían estado construyendo dispositivos basados ​​en grafeno, otros materiales que rodean la hoja de grafeno, como sustratos de vidrio y puertas metálicas, introdujeron suficiente desorden como para destruir cualquier firma de estados no abelianos, Zibrov explicó. El grafeno está bien es el medio ambiente el problema, él dijo.

¿La solución? Material más atómicamente delgado.

"Finalmente hemos llegado a un punto en el que todo en el dispositivo está hecho de monocristales bidimensionales, ", dijo Young." Así que no solo el grafeno en sí, pero los dieléctricos son monocristales de nitruro de boro hexagonal que son planos y perfectos y las puertas son monocristales de grafito que son planos y perfectos ". Al alinear y apilar estos cristales planos y perfectos de material uno encima del otro, el equipo logró no solo un sistema de muy bajo desorden, pero uno que también es extremadamente sintonizable.

"Además de darse cuenta de estos estados, podemos sintonizar parámetros microscópicos de una manera muy bien controlada y comprender qué hace que estos estados sean estables y qué los desestabiliza, "Dijo Young. El fino grado de control experimental, y la eliminación de muchas incógnitas, permitió al equipo modelar teóricamente el sistema con alta precisión, fomentando la confianza en sus conclusiones.

El avance de los materiales confiere a estas frágiles excitaciones una cierta robustez, con las temperaturas requeridas casi diez veces más altas que las necesarias en otros sistemas de materiales. Llevar las estadísticas no abelianas a un rango de temperatura más conveniente constituye una oportunidad no solo para las investigaciones de la física fundamental, pero reaviva la esperanza de desarrollar un bit cuántico topológico, que podría formar la base de un nuevo tipo de computadora cuántica. Los anyones no abelianos son especiales porque se cree que pueden procesar y almacenar información cuántica independientemente de muchos efectos ambientales. un gran desafío en la realización de computadoras cuánticas con medios tradicionales.

Pero, dicen los físicos, lo primero es lo primero. Medir directamente las propiedades cuánticas de las cuasipartículas emergentes es muy desafiante, Zibrov explicó. Si bien algunas propiedades, como la carga fraccional, se han demostrado definitivamente, La prueba definitiva de las estadísticas no abelianas, y mucho menos el aprovechamiento de los anones no belianos para la computación cuántica, ha permanecido lejos del alcance de los experimentos. "Realmente no sabemos todavía de forma experimental si existen anyons no abelianos, "Dijo Zibrov.

"Nuestros experimentos hasta ahora son consistentes con la teoría, que nos dice que algunos de los estados que observamos deben ser no abelianos, pero todavía no tenemos una pistola humeante experimental ".

"Nos gustaría un experimento que realmente demuestre un fenómeno exclusivo de las estadísticas no abelianas, "dijo Young, que ha ganado numerosos premios por su trabajo, incluido el Premio CAREER de la National Science Foundation. "Ahora que tenemos un material que entendemos muy bien, hay muchas formas de hacer esto, ¡veremos si la naturaleza coopera! "