Los físicos han identificado un nuevo estado de la materia cuyo orden estructural opera por reglas más alineadas con la mecánica cuántica que la teoría termodinámica estándar. En un material clásico llamado hielo de espín artificial, que en determinadas fases aparece desordenado, el material está realmente ordenado, pero en forma "topológica".

"Nuestra investigación muestra por primera vez que los sistemas clásicos como el hielo de espín artificial pueden diseñarse para demostrar fases ordenadas topológicamente, que previamente se han encontrado solo en condiciones cuánticas, "dijo el físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos Cristiano Nisoli, líder del grupo teórico que colaboró ​​con un grupo experimental de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, dirigido por Peter Schiffer (ahora en la Universidad de Yale).

Los físicos generalmente clasifican las fases de la materia como ordenadas, como el cristal, y desordenado, como los gases, y lo hacen sobre la base de la simetría de tal orden, Dijo Nisoli.

"La demostración de que estos efectos topológicos se pueden diseñar en un sistema de hielo de espín artificial abre la puerta a una amplia gama de posibles nuevos estudios, "Dijo Schiffer.

El material especializado mantuvo niveles de energía desconcertantes en experimentos

En la nueva investigación, el equipo exploró una geometría de hielo de giro artificial particular, llamado Shakti spin ice. Si bien estos materiales están diseñados teóricamente, esta vez, el descubrimiento de su exotismo, las propiedades fuera de equilibrio pasaron de los experimentos a la teoría.

Realización de caracterización por microscopía electrónica de fotoemisión en la fuente de luz avanzada del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, El equipo de Schiffer reveló algo desconcertante:a diferencia de otros hielos de espín artificial, que podrían alcanzar su estado de baja energía a medida que la temperatura se redujo en sucesivos apagados, El hielo giratorio de Shakti permaneció obstinadamente en aproximadamente el mismo nivel de energía. "El sistema se atasca de una manera que no puede reorganizarse, a pesar de que una reordenación a gran escala le permitiría caer a un estado de menor energía, "Dijo Schiffer.

Claramente, algo se estaba conservando, pero nada apareció como un candidato obvio en un material ideado artificialmente para proporcionar una imagen de giro desordenada.

Retroceder para ver el panorama general

Alejándose de una imagen de giro y concentrándose en una descripción emergente de las excitaciones del sistema, Nisoli describió un estado de baja energía que podría mapearse exactamente en un modelo teórico célebre, el "modelo de cubierta de dímero, "cuyas propiedades topológicas habían sido reconocidas antes. Entonces, Los datos del experimento confirmaron la conservación de la carga topológica y, por lo tanto, una larga vida útil de las excitaciones.

"Lo encuentro de lo más intrigante porque generalmente los marcos teóricos se mueven de la física clásica a la física cuántica. No es así con el orden topológico, "Dijo Nisoli.

Éxito colaborativo

Los experimentos físicos fueron realizados por el equipo de Schiffer en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y fueron financiados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La cinética del material se investigó en tiempo real y en el espacio real en la fuente de luz avanzada.