Dentro de un nuevo cristal exótico El físico Martin Mourigal ha observado fuertes indicios de acción "espeluznante", y mucho. Los resultados de sus experimentos, si se corrobora en el tiempo, significaría que el tipo de cristal es un material nuevo y poco común que puede albergar un líquido de espín cuántico.

En la actualidad, Se cree que solo un pequeño puñado de materiales posiblemente tengan estas propiedades. Este nuevo cristal fue sintetizado por primera vez hace solo un año. La corroboración por parte de otros físicos de los datos experimentales recién producidos por Mourigal podría llevar una década o más.

¿Confundido? Conoce la física cuántica

Un "líquido" que se encuentra dentro de un objeto sólido puede resultar confuso para muchas personas.

Bienvenidos a los materiales cuánticos, parte de la zona crepuscular llamada física cuántica, que los científicos han estado luchando durante un siglo para comprender un nanómetro a la vez. Aunque mucho sobre él aún no se ha descubierto, La física cuántica describe la realidad subyacente de la materia.

El funcionamiento de las computadoras celulares, Los superconductores y las máquinas de resonancia magnética se basan en él. Pero sus leyes sobre el reino atómico desafían la percepción humana de lo que es real, y algunos suenan tan absurdos que se han convertido en acertijos de ciencia popular.

'Liquid' en un enredo 'espeluznante'

Tomemos el entrelazamiento cuántico, el núcleo de la investigación de Mourigal sobre el cristal:si dos partículas, electrones por ejemplo, enredarse, pueden estar físicamente separados por muchas millas, y aún estar íntimamente vinculados entre sí. Las acciones aplicadas a una partícula afectan instantáneamente a la otra.

En primer lugar, esta teoría era demasiado extraña incluso para el padre de la relatividad, Albert Einstein, quien lo satirizó como "acción espeluznante a distancia".

Desde entonces, el entrelazamiento ha sido probado en experimentos, pero ahora científicos como Mourigal, un físico experimental en el Instituto de Tecnología de Georgia, y su equipo, lo he llevado mucho más lejos. El cristal sintético que ha examinado, un compuesto de iterbio con la fórmula YbMgGaO4, probablemente rebosa de conexiones 'espeluznantes' observables.

Mourigal, El ex becario postdoctoral Joseph Paddison y el estudiante de posgrado Marcus Daum publicaron sus observaciones en la revista. Física de la naturaleza los lunes, 5 de diciembre 2016. Colaboraron con colegas de la Universidad de Tennessee y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. El trabajo fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU.

Sueños de computación cuántica

Este entrelazamiento masivo 'espeluznante' convierte a un sistema de electrones en un "líquido" de espín cuántico. El término no se entiende en el sentido cotidiano, como en el agua. Aquí, describe la naturaleza colectiva de los giros de los electrones en el cristal.

"En un líquido giratorio, 'las direcciones de los giros no están bien alineadas, pero frenético, aunque los giros están interconectados, mientras que en un giro 'sólido' las direcciones de giro tienen una organización ordenada, "Dijo Mourigal.

Si el descubrimiento se mantiene, podría abrir una puerta a cientos de materiales líquidos de espín cuántico aún desconocidos que, según los físicos, deben existir de acuerdo con la teoría y las ecuaciones matemáticas. En el futuro distante, nuevos materiales cuánticos podrían convertirse, según los estándares actuales, Piedras mágicas virtuales en manos de ingenieros de computación cuántica.

¿El éxito del cristal de iterbio de Beijing?

El cristal de iterbio fue sintetizado por primera vez hace un año por científicos en China, donde el gobierno de Beijing ha invertido mucho con la esperanza de crear materiales cuánticos sintéticos con propiedades novedosas. Parece que ahora pueden haber tenido éxito, dijo Mourigal, profesor asistente en la Escuela de Física de Georgia Tech.

"Imagine un estado de la materia en el que este entrelazamiento no implica dos electrones, sino que implica, Tres, cinco, 10 o 10 mil millones de partículas, todas en el mismo sistema, ", Dijo Mourigal." Puedes crear un estado de la materia muy exótico basado en el hecho de que todas estas partículas están entrelazadas entre sí. Ya no hay partículas individuales, pero un enorme conjunto de electrones actuando colectivamente ".

Uno de los únicos líquidos aparentes de espín cuántico previamente observado ocurre en un cristal natural llamado herbertsmithita, una piedra verde esmeralda encontrada en 1972 en una mina de Chile. Lleva el nombre del mineralogista Herbert Smith, que murió casi 20 años antes del descubrimiento.

Los investigadores observaron su aparente naturaleza líquida de giro en 2012 después de que los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts lograron reproducir una pieza purificada del cristal en su laboratorio.

Enciclopedia de líquidos de centrifugado

Ese descubrimiento inicial fue solo el comienzo de una Odisea. Debido a su composición química, herbertsmithite produce un solo esquema de entrelazamiento. La matemática física dice que debe haber miles más.

"Encontrar herbertsmithite fue como decir, 'los animales existen'. Pero hay tantas especies diferentes de animales, o mamíferos, o pescado, reptiles y aves, ", Dijo Mourigal." Ahora que hemos encontrado uno, buscamos diferentes tipos de líquidos de centrifugado ".

Cuanto más líquidos de giro confirman los físicos experimentales, los físicos más teóricos podrán utilizarlos para inclinar sus mentes en torno a la física cuántica. "Es importante crear la enciclopedia de ellos, "Dijo Mourigal." Este nuevo cristal puede ser sólo nuestra segunda o tercera entrada ".

Lo que reveló la dispersión de neutrones

Los físicos de la Universidad de Tennessee lograron replicar el cristal de iterbio original, y Mourigal lo examinó en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), donde se enfrió a una temperatura de -273,09 grados Celsius (0,06 grados Kelvin).

El enfriamiento ralentizó el movimiento natural de los átomos hasta casi detenerse, lo que permitió a los investigadores observar la danza de los giros de los electrones alrededor de los átomos de iterbio (Yb) en el cristal YbMgGaO4. Utilizaron un poderoso imán superconductor para alinear los giros de manera ordenada para crear un punto de partida para sus observaciones.

"Luego eliminamos el campo magnético, y dejar que vuelvan a su tipo especial de contoneo, "Dijo Mourigal. Su equipo llevó a cabo las observaciones en la fuente de neutrones de espalación ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. SNS tiene aproximadamente el poder y el tamaño de un supercolisionador de partículas, y permitió a los científicos observar el concierto de los giros de los electrones bombardeándolos con neutrones.

Normalmente, cuando un electrón cambia su espín, los investigadores esperarían que creara una clara reacción en cadena, resultando en una onda que atraviesa el cristal. La ola de giros de electrones que se voltean en secuencia podría parecerse a los fanáticos en un partido de fútbol de pie y sentados para hacer que una ola dé la vuelta al estadio.

Pero sucedió algo extraño. "Este tipo desordenado de onda giratoria se dividió en muchas otras ondas, porque todo es colectivo, todo esta enredado, "Dijo Mourigal." Fue un continuo de excitaciones, pero rompiendo a través de muchos electrones a la vez ".

Fue cualitativamente similar a lo observado usando la misma técnica en herbertsmithita.

Donut de topología del Premio Nobel

Para autenticar las observaciones realizadas por el equipo de Mourigal, Los físicos teóricos tendrán que procesar los datos con métodos que, en parte, confiar en la topología, un foco del Premio Nobel de Física 2016. Mourigal cree que lo más probable es que aprueben. "A primera vista, este material esta gritando, 'Soy un líquido de espín cuántico, '" él dijo.

Pero debe someterse a una batería de años de rigurosas pruebas matemáticas. Los físicos teóricos envolverán los datos alrededor de una "dona" matemática para confirmar si es o no un líquido de espín cuántico.

"Eso es en serio, "Dijo Mourigal." Como ejercicio mental matemático, virtualmente esparcen el líquido giratorio alrededor de una forma de rosquilla, y la forma en que responde a una dona te dice algo sobre la naturaleza de ese líquido giratorio ".

Aunque las partículas entrelazadas parecen desafiar el espacio y el tiempo, la forma del espacio que ocupan afecta la naturaleza del patrón de entrelazamiento.

La posibilidad de un líquido de espín cuántico se demostró por primera vez en la década de 1930, pero solo usando átomos colocados en línea recta. Desde entonces, los físicos han estado buscando materiales que los contengan.