Esquema de los carriles conductores esperados donde los electrones pueden fluir en los límites entre regiones con orientaciones opuestas de las órbitas de los electrones. Crédito:el grupo de investigación Ali Yazdani de la Universidad de Princeton.
Los investigadores de Princeton han demostrado una nueva forma de hacer "cables cuánticos" controlables en presencia de un campo magnético. según un nuevo estudio publicado en Naturaleza .
Los investigadores detectaron canales de electrones conductores que se forman entre dos estados cuánticos en la superficie de un cristal de bismuto sometido a un alto campo magnético. Estos dos estados consisten en electrones que se mueven en órbitas elípticas con diferentes orientaciones.
Para sorpresa del equipo, encontraron que el flujo de corriente en estos canales se puede encender y apagar, haciendo de estos canales un nuevo tipo de cable cuántico controlable.
"Estos canales son notables porque se forman espontáneamente en los límites entre diferentes estados cuánticos en los que los electrones alinean colectivamente sus órbitas elípticas, "dijo Ali Yazdani, el Profesor de Física de la Clase de 1909 y director del Centro de Princeton para Materiales Complejos, quien dirigió la investigación. "Es emocionante ver cómo la interacción entre los electrones en los canales determina fuertemente si pueden o no conducir".
Los investigadores utilizaron un microscopio de efecto túnel, un dispositivo capaz de obtener imágenes de átomos individuales y trazar el movimiento de los electrones en la superficie de un material, para visualizar el comportamiento de los electrones en la superficie de un cristal hecho de bismuto puro.
Imagen de microscopio de túnel de barrido que muestra un límite entre regiones con diferentes orientaciones de órbita de electrones. Crédito:el grupo de investigación Ali Yazdani de la Universidad de Princeton
Con este instrumento, El equipo tomó imágenes directamente de los movimientos de los electrones en presencia de un campo magnético miles de veces mayor que el de un imán de refrigerador. La aplicación del gran campo magnético obliga a los electrones a moverse en órbitas elípticas, en lugar del flujo más típico de electrones paralelo a la dirección de un campo eléctrico.
El equipo descubrió que los canales conductores se forman en el límite, que ellos llaman un muro de dominio polarizado en valles, entre dos regiones del cristal donde las órbitas de los electrones cambian de orientación abruptamente.
Mallika Randeria, un estudiante de posgrado en el Departamento de Física, quién llevó a cabo los experimentos, dijo:"Encontramos que hay canales de dos y cuatro carriles en los que los electrones pueden fluir, dependiendo del valor preciso del campo magnético ". Ella y sus colegas observaron que cuando los electrones están sintonizados para moverse en un canal de cuatro carriles, se atascan pero pueden fluir sin obstáculos cuando están confinados a un solo canal de dos carriles.
Al tratar de comprender este comportamiento, los investigadores descubrieron nuevas reglas por las cuales las leyes de la mecánica cuántica dictan la repulsión entre los electrones en estos cables cuánticos multicanal. Si bien el mayor número de carriles parecería sugerir una mejor conductividad, la repulsión entre electrones hace que cambien de carril de forma contraria a la intuición, cambia la direccion, y atascarse resultando en un comportamiento aislante. Con menos canales, los electrones no tienen opción para cambiar de carril y deben transmitir corriente eléctrica incluso si tienen que moverse "a través" del otro, un fenómeno cuántico que sólo es posible en tales canales unidimensionales.
Una conducción protegida similar ocurre a lo largo de los límites de los llamados estados topológicos de la materia, que fueron el tema del Premio Nobel de 2016 otorgado a F. Duncan Haldane de Princeton, el profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild. La explicación teórica del nuevo hallazgo se basa en trabajos anteriores realizados por dos miembros del equipo, Siddharth Parameswaran, que entonces era estudiante de posgrado en Princeton y ahora es profesor asociado de física en la Universidad de Oxford, y Shivaji Sondhi de Princeton, profesor de física, y colaboradores.
"Aunque algunas de las ideas teóricas que usamos han existido por un tiempo, sigue siendo un desafío ver cómo encajan para explicar un experimento real, y una verdadera emoción cuando eso sucede, ", Dijo Parameswaran." Este es un ejemplo perfecto de cómo el experimento y la teoría funcionan en conjunto:sin los nuevos datos experimentales nunca hubiéramos revisado nuestra teoría, y sin la nueva teoría habría sido difícil comprender los experimentos ".
