El equipo de investigación dirigido por ORNL seleccionó un cristal compuesto de bromuro de cobre, porque el ión de cobre es ideal para estudiar efectos cuánticos exóticos, para observar el elusivo modo de amplitud de Higgs en dos dimensiones. La muestra se examinó utilizando haces de espectrómetro de triple eje de neutrones fríos para la dispersión de neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo. Crédito:Genevieve Martin, Laboratorio Nacional Oak Ridge / Dept. de energía
Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha utilizado técnicas sofisticadas de dispersión de neutrones para detectar un estado cuántico elusivo conocido como modo de amplitud de Higgs en un material bidimensional.
El modo de amplitud de Higgs es un primo de materia condensada del bosón de Higgs, la legendaria partícula cuántica teorizada en la década de 1960 y probada experimentalmente en 2012. Es una de una serie de extravagantes, modos colectivos de materia que se encuentran en los materiales a nivel cuántico. Al estudiar estos modos, Los investigadores de materia condensada han descubierto recientemente nuevos estados cuánticos conocidos como cuasipartículas, incluido el modo Higgs.
Estos estudios brindan oportunidades únicas para explorar la física cuántica y aplicar sus efectos exóticos en tecnologías avanzadas como la electrónica basada en espines, o espintrónica, y computación cuántica.
"Para excitar las cuasipartículas cuánticas de un material de una manera que nos permita observar el modo de amplitud de Higgs es bastante desafiante, "dijo Tao Hong, un científico de instrumentos de la División de Materia Condensada Cuántica de ORNL.
Aunque el modo de amplitud de Higgs se ha observado en varios sistemas, "el modo de Higgs a menudo se volvía inestable y decaía, acortando la oportunidad de caracterizarlo antes de perderlo de vista, "Dijo Hong.
Tao Hong de ORNL analizó el comportamiento de baja energía de un compuesto de bromuro de cobre durante un experimento de dispersión de neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo del laboratorio que produjo el elusivo modo de amplitud de Higgs en dos dimensiones sin desintegración. Crédito:Genevieve Martin, Laboratorio Nacional Oak Ridge / Dept. de energía
El equipo dirigido por ORNL ofreció un método alternativo. Los investigadores seleccionaron un cristal compuesto de bromuro de cobre, porque el ion de cobre es ideal para estudiar efectos cuánticos exóticos, Hong explicó. Comenzaron la delicada tarea de "congelar" las partículas de nivel cuántico en agitación del material bajando su temperatura a 1,4 Kelvin, que es aproximadamente menos 457,15 grados Fahrenheit.
Los investigadores afinaron el experimento hasta que las partículas alcanzaron la fase ubicada cerca del punto crítico cuántico deseado, el punto óptimo donde los efectos cuánticos colectivos se extienden a través de grandes distancias en el material. que crea las mejores condiciones para observar un modo de amplitud de Higgs sin decaimiento.
Con la dispersión de neutrones realizada en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL, el equipo de investigación observó el modo de Higgs con una vida útil infinita:sin decadencia.
"Hay un debate en curso en física sobre la estabilidad de estos modos de Higgs tan delicados, "dijo Alan Tennant, científico jefe de la Dirección de Ciencias Neutrónicas de ORNL. "Este experimento es muy difícil de hacer, especialmente en un sistema bidimensional. Y, todavía, aquí hay una observación clara, y está estabilizado ".
Durante el experimento de dispersión de neutrones, la muestra que contiene iones de cobre exhibió propiedades cuánticas exóticas a medida que ciertas cuasipartículas giran en una configuración ondulada, finalmente revelando el modo de amplitud de Higgs. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge / Dept. de energía
La observación del equipo de investigación proporciona nuevos conocimientos sobre las teorías fundamentales que subyacen a los materiales exóticos, incluidos los superconductores, sistemas de ondas de densidad de carga, sistemas bosónicos ultrafríos y antiferromagnetos.
"Estos avances están teniendo un impacto generalizado en nuestra comprensión del comportamiento de los materiales a escala atómica, "Añadió Hong.
El estudio, noble, "Observación directa del modo de amplitud de Higgs en un antiferromagnet cuántico bidimensional cerca del punto crítico cuántico, "fue publicado en Física de la naturaleza .
