Controlar cómo los electrones atraviesan un material es de vital importancia para construir dispositivos electrónicos novedosos. La forma en que el movimiento electrónico se ve afectado por los campos magnéticos es un viejo problema que no se ha resuelto por completo. sin embargo, ya ha dado lugar a múltiples premios Nobel de física. Ahora, Los investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo han resuelto uno de los problemas de larga data en el campo, a saber, cómo se puede restaurar una cierta simetría. Sus resultados se acaban de publicar en Cartas de revisión física .

Los electrones que se mueven en un campo magnético fuerte realizan un movimiento circular debido a la fuerza de Lorentz en la que se basan la inducción electromagnética y el motor eléctrico. En la llanura cuántica de materiales bidimensionales atómicamente delgados, esto conduce a efectos cuánticos extraños como el número entero y los efectos Hall cuantificados fraccionales, que establecen que el número de cargas desviadas por Lorentz no es arbitrario sino que aumenta en pasos discretos (cuantificados).

A pesar de los grandes avances en el campo, la descripción fundamental de cómo se comportan los electrones en los campos magnéticos ha quedado algo incompleta. "Hay un problema profundo aquí. Digamos que tengo una bobina magnética gigante y genero un campo que es el mismo en todas partes del espacio. Los electrones en mi hoja cuántica deberían sentir la misma fuerza en todas partes, "dice Vasil Rokaj, Doctor. estudiante en el Departamento de Teoría de MPSD y autor principal del estudio. "Pero los libros de texto estándar que tratan el campo magnético clásicamente no tienen en cuenta este requisito físico, " él añade.

Con un equipo de investigadores dirigido por el director de teoría de MPSD, Angel Rubio, y los líderes del grupo Michael Ruggenthaler y Michael Sentef, Rokaj y el coautor Markus Penz se propusieron derivar nuevas ecuaciones que resolverían esta deficiencia. "Originalmente no sabíamos qué esperar, "agrega Ruggenthaler." De hecho, estábamos interesados ​​en un problema diferente, a saber, cómo un campo cuantificado en lugar de clásico en una llamada cavidad afecta el movimiento electrónico ".

Lograr esto, Rokaj tuvo que utilizar el formalismo de la electrodinámica cuántica, que se desarrolló por primera vez en las décadas de 1930 y 1940 para describir cómo interactúan los electrones y los fotones. Cuando Rokaj escribió las ecuaciones para los electrones en el sólido, el equipo se dio cuenta de que sucedió algo interesante. "El campo magnético de una bobina está compuesto de fotones, entonces en principio, también deberíamos poder describir el viejo problema con nuestro nuevo enfoque, "dice Ruggenthaler." Sorprendentemente, la incertidumbre cuántica (o fluctuaciones) del campo, que normalmente no se tiene en cuenta, ayuda a restaurar la simetría fundamental:que todo debería ser igual sin importar en qué parte del espacio miremos ".

Angel Rubio agrega, "Estos esfuerzos demuestran que estamos en el camino correcto al abordar el problema de una manera totalmente cuántica". En su Departamento de Teoría, muchos investigadores trabajan en el problema a gran escala de cómo los fotones cambian las propiedades de la materia, desde nuevas reacciones químicas hasta materiales que podrían ayudar a construir futuras computadoras cuánticas. "Este trabajo demuestra que siempre vale la pena echar un vistazo a los viejos problemas, y partir de los principios básicos, "dice Rubio." Estoy seguro de que hay más sorpresas esperando ser descubiertas ".