Un grupo de investigación de la Universidad Bar-Ilan, en colaboración con colegas franceses en CNRS Grenoble, ha desarrollado un experimento único para detectar eventos cuánticos en películas ultrafinas. Esta novedosa investigación, para ser publicado en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza , mejora la comprensión de los fenómenos básicos que ocurren en sistemas nanométricos cercanos a la temperatura del cero absoluto.

Transiciones, Fases y puntos críticos

Una transición de fase es un término general para los fenómenos físicos en los que un sistema pasa de un estado a otro como resultado de un cambio de temperatura. Los ejemplos cotidianos son la transición del hielo al agua (sólido a líquido) a cero grados centígrados, y de agua a vapor (líquido a gas) a 100 grados.

La temperatura a la que tiene lugar la transición se denomina punto crítico. Cerca de este punto ocurren interesantes fenómenos físicos. Por ejemplo, como el agua se calienta, comienzan a formarse pequeñas regiones de gas y el agua burbujea. A medida que la temperatura del líquido se eleva hacia el punto crítico, aumenta el tamaño de las burbujas de gas. A medida que el tamaño de la burbuja se vuelve comparable a la longitud de onda de la luz, la luz se dispersa y hace que el líquido normalmente transparente parezca "lechoso", un fenómeno conocido como opalescencia crítica.

En los últimos años la comunidad científica ha mostrado un interés creciente en las transiciones de fase cuántica en las que un sistema transita entre dos estados a temperatura de cero absoluto (-273 grados) como resultado de la manipulación de un parámetro físico como el campo magnético, presión o composición química en lugar de temperatura. En estas transiciones, el cambio no se produce debido a la energía térmica proporcionada al sistema por el calentamiento, sino a las fluctuaciones cuánticas. Aunque el cero absoluto no es físicamente alcanzable, Las características de la transición se pueden detectar en el comportamiento de muy baja temperatura del sistema cerca del punto crítico cuántico. Tales características incluyen "burbujas cuánticas" de una fase en la otra. El tamaño y la vida útil de estas burbujas cuánticas aumentan a medida que el sistema se sintoniza hacia el punto crítico, dando lugar a un equivalente cuántico de opalescencia crítica.

La predicción teórica de tal criticidad cuántica se proporcionó hace unas décadas, pero cómo medir esto experimentalmente sigue siendo un misterio. Prof. Aviad Frydman del Departamento de Física e Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad Bar-Ilan, y su alumno Shachar Poran, junto con el Dr. Olivier Bourgeois del CNRS Grenoble, por primera vez han proporcionado la respuesta.

Creando un Nano-trampolín

En las transiciones de fase normales, existe una cantidad medible única que se utiliza para detectar un punto crítico. Este es el calor específico que mide la cantidad de energía térmica que se debe suministrar a un sistema para elevar su temperatura en un grado. Aumentar la temperatura de un sistema en dos grados requiere el doble de energía que se necesita para aumentarla en un grado. Sin embargo, cerca de una transición de fase, este ya no es el caso. Gran parte de la energía se invierte en la creación de burbujas (o fluctuaciones) y, por lo tanto, se debe invertir más energía para generar un cambio de temperatura similar. Como resultado, el calor específico se eleva cerca del punto crítico y su medición proporciona información sobre las fluctuaciones.

Medir el calor específico de un sistema cerca de un punto crítico cuántico plantea un desafío mucho mayor. Primeramente, las mediciones deben realizarse a bajas temperaturas. En segundo lugar, los sistemas en estudio son capas nanodelgadas que requieren mediciones extremadamente sensibles. El grupo de Frydman superó estos obstáculos desarrollando un diseño experimental único basado en una fina membrana suspendida en el aire por puentes muy estrechos. formando así un "nano-trampolín". Esta configuración permitió mediciones de calor específicas de las películas delgadas a través de una transición de fase cuántica de un estado superconductor a un estado eléctricamente aislante cercano a la temperatura del cero absoluto.

La medición realizada por el grupo de Frydman es la primera de su tipo. Los resultados demuestran que, al igual que en el caso de una transición de fase térmica, el calor específico aumenta de manera similar en la vecindad de un punto crítico cuántico, y se puede utilizar como sonda para la criticidad cuántica. Se espera que este trabajo sea un hito en la comprensión de los procesos físicos que gobiernan el comportamiento de los sistemas ultrafinos a temperaturas ultrabajas.

El profesor Frydman presentará esta investigación en una serie de conferencias internacionales en las próximas semanas. La investigación fue apoyada por el Laboratoire d'Excellence LANEF en Grenoble (ANR-10-LABX-51-01) para el Prof. Frydman.