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    La aparente calma interior de los materiales cuánticos

    La estructura helicoidal de BACOVO:los átomos de oxígeno, representado en rojo, están organizados en octaedros alrededor de los átomos de cobalto, ubicado en su centro. Las flechas azules representan los pequeños momentos transportados por los átomos de cobalto, ordenado antiferromagnéticamente a lo largo de la cadena helicoidal. Crédito:CEA / CNRS / UGA

    Investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE) y colaboradores multiinstitucionales han estado estudiando BACOVO, un material cuántico unidimensional. Informan que el material exhibe una nueva transición de fase topológica gobernada por dos tipos de excitación topológica. Además, pudieron elegir cuál de los dos tipos dominaría al otro. Su investigación se publica en la revista Física de la naturaleza .

    Los investigadores se basaron en el trabajo de los ganadores del Premio Nobel de Física de 2016, David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz. Los tres físicos predijeron que es probable que un conjunto de excitaciones topológicas en un material cuántico induzca una transición de fase. Se han desarrollado numerosas teorías sobre estas excitaciones topológicas, incluyendo la viabilidad de combinar dos de ellos en un solo material. ¿Pero es esa una posibilidad real? Y de ser así, ¿qué pasaría? Los equipos de UNIGE y CEA, CNRS y UGA pudieron proporcionar la primera confirmación experimental de la teoría que predice la existencia de dos conjuntos simultáneos de excitaciones topológicas y la competencia entre ellos. Los hallazgos constituyen una pequeña revolución en el misterioso mundo de las propiedades cuánticas.

    Los investigadores de CEA, CNRS, y la Université Grenoble Alpes estaban trabajando en un material antiferromagnético unidimensional con propiedades particulares:BACOVO (BaCo 2 V 2 O 8 ). "Realizamos varios experimentos en BACOVO, un óxido caracterizado por su estructura helicoidal, "escribieron los investigadores. Pero los resultados experimentales evidenciaron una transición de fase desconcertante, razón por la cual el equipo llamó a Thierry Giamarchi, profesor del Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE.

    Giamarchi dice:"Según sus resultados, establecimos marcos teóricos capaces de interpretarlos. Estos modelos teóricos fueron luego probados nuevamente usando nuevos experimentos para que pudieran ser validados ".

    El objetivo era comprender cómo actúan las propiedades cuánticas de BACOVO, especialmente sus excitaciones topológicas. Quentin Faure, Estudiante de doctorado en el Instituto de Nanociencia y Criogenia (CEA / UGA) y el Instituto Néel, dice, "Para este propósito, utilizamos la dispersión de neutrones, lo que significa que enviamos un haz de neutrones sobre el material. Los neutrones se comportan como pequeños imanes que interactúan con los de BACOVO, de acuerdo con una estrategia caracterizada como 'perturbar para revelar, "ayudándonos a comprender sus propiedades". Cuando el modelo desarrollado en UNIGE coincide con el experimento, se convierte en el modelo estándar del material. El profesor Giamarchi dice:"El modelo que establecimos con Shintaro Takayoshi predijo exactamente el resultado observado en el experimento".

    Pero este experimento también condujo a un descubrimiento que los científicos no habían anticipado. "Después de decidirse por el modelo estándar de BACOVO, observamos propiedades inesperadas, "dice Shintaro Takayoshi, investigadora del Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. Cuando se coloca en un campo magnético, BACOVO desarrolla un segundo conjunto de excitaciones topológicas que compiten con el primero, confirmando las teorías de los años setenta y ochenta organizadas en torno al campo abierto por el trabajo de los científicos del Nobel. "Además de probar la existencia de esta confrontación entre dos conjuntos de excitaciones topológicas dentro del mismo material, un evento sin precedentes, pudimos controlar experimentalmente qué conjunto dominaría al otro, "agrega Takayoshi.

    Lo que originalmente era una hipótesis teórica se convirtió en un experimento verificado. El análisis en profundidad de BACOVO realizado por los físicos demostró que dos conjuntos de excitaciones topológicas entran en confrontación directa en el mismo material y controlan el estado de la materia, que difiere según el conjunto dominante, produciendo una transición de fase cuántica. Es más, los científicos lograron controlar qué conjunto prevalece, lo que significa que podrían ajustar el estado de la materia de BACOVO a voluntad. "Estos resultados abren una amplia gama de posibilidades en términos de investigación en física cuántica, ", concluye el profesor Giamarchi." Es cierto que todavía estamos en el nivel fundamental, pero es a través de este tipo de descubrimiento que nos estamos acercando cada día más a las aplicaciones de las propiedades cuánticas de los materiales, y ¿por qué no las computadoras cuánticas? "

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