Los condensados ​​de Bose-Einstein son fases cuánticas macroscópicas de materia que aparecen solo en condiciones muy particulares. Aprender más sobre estas fases de la materia podría ayudar a los investigadores a desarrollar una mejor comprensión de los comportamientos cuánticos fundamentales y posiblemente contribuir a la tecnología cuántica futura.

Por eso Kate Ross y Ph.D. candidato Gavin Hester, investigadores de la Universidad Estatal de Colorado, están en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para probar un material llamado silicato de iterbio. Ross cree que el silicato de iterbio, el único material magnético basado en un elemento de tierras raras que muestra evidencia de un condensado de Bose-Einstein, puede ser la clave para comprender los fenómenos cuánticos en otros imanes basados ​​en elementos de tierras raras. Al sondear muestras de silicato de iterbio con neutrones, Ross espera generar un mapa detallado de este condensado de Bose-Einstein único y luego usar ese mapa para validar su hipótesis identificando estados cuánticos exóticos en otros materiales magnéticos. Ross y sus colaboradores discuten sus hallazgos en su artículo publicado en la revista. Cartas de revisión física .

"Si podemos comprender mejor el condensado de Bose-Einstein que vemos en este material, entonces podríamos usar ese conocimiento para descubrir estados cuánticos similares de muchos cuerpos en otros materiales magnéticos basados ​​en elementos de tierras raras, "dijo Ross.

Ross explica que el condensado de Bose-Einstein, también conocida como fase BEC, es un fluido cuántico en el que las partículas dejan de comportarse como entidades individuales y, en cambio, se comportan como ondas que se mueven en sincronía entre sí a través de la estructura de una sola, sistema unificado. No se parece a ningún sólido líquido, gas, o plasma y aparece solo a temperaturas cercanas al cero absoluto, o 0 K (aproximadamente -460 ° F). Los científicos aún tienen mucho que aprender sobre este estado único de la materia, pero existe la esperanza de que sus propiedades únicas puedan algún día contribuir a materiales avanzados.

“No existe un vínculo directo entre los condensados ​​de Bose-Einstein y las propuestas actuales de tecnología cuántica. Pero también tenemos mucho que aprender sobre cómo se comporta este material, y responder a algunas de estas preguntas fundamentales sobre los fenómenos cuánticos será la base para futuros logros científicos, —dijo Hester.

Para principiantes, Se ha asumido durante mucho tiempo que los condensados ​​de Bose-Einstein no pueden aparecer en materiales magnéticos basados ​​en elementos de tierras raras porque esas interacciones magnéticas particulares no parecían ser lo suficientemente isotrópicas para que apareciera una fase BEC. Pero, habiendo observado evidencia de una fase BEC en el silicato de iterbio durante experimentos anteriores, Ross y su equipo sospechan que esta suposición podría ser falsa.

"Nos sorprendió mucho cuando vimos la evidencia de una fase BEC. Sugiere que el iterbio es un ingrediente mucho más versátil para formar estados cuánticos de muchos cuerpos de lo que pensábamos anteriormente". "dijo Ross.

Para comprender mejor la capacidad del silicato de iterbio para albergar una fase BEC, Ross usó el instrumento Espectrómetro Chopper de Neutrones Fríos, o CNCS, en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL y el espectrómetro de triple eje de energía de incidente fijo, o FIE-TAX, en el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) para sondear muestras cristalizadas de silicato de iterbio. Se realizaron mediciones complementarias de rayos X y dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Argonne y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

Estos experimentos han estado en proceso durante casi 4 años. El grupo de investigación de Ross comenzó a cultivar muestras de silicato de iterbio y a mapear el comportamiento de este material en 2015. Con sus colaboradores, utilizaron varias sondas en la Universidad Estatal de Colorado y la Universidad de Sherbrooke en Canadá para obtener un primer vistazo al comportamiento del material, pero estaban ansiosos por utilizar la dispersión de neutrones para sondear sus muestras.

"Los neutrones penetran profundamente, y a medida que pasan a través de nuestras muestras, agitan estas partículas cuánticas emergentes de tal manera que podemos medir con precisión cómo se comportan esas partículas dentro de la microestructura del silicato de iterbio, —dijo Hester.

Para preparar sus muestras para la dispersión de neutrones, Ross y sus colaboradores tuvieron que cortar y alinear cada cristal individual para que cada uno estuviera orientado en la misma dirección. Es más, Ross tuvo que exponer sus muestras de silicato de iterbio a un campo magnético y usar una cámara de enfriamiento especial para bajarlas a una temperatura fría de -459.28 ° F, que es más frío que el espacio interestelar y muy cercano al cero absoluto.

"Armar este experimento requirió mucho trabajo, pero los datos que obtuvimos definitivamente valieron la pena, "dijo Ross.

Ross y Hester esperan que su trabajo no solo arroje luz sobre cómo la fase BEC del silicato de iterbio es única, pero también brindan a los investigadores una mejor comprensión de los fenómenos cuánticos en general, tal como aparecen en otros materiales magnéticos basados ​​en elementos de tierras raras.

"Definitivamente estamos interesados ​​en aprender más sobre esta fase BEC en silicato de iterbio específicamente, pero esperamos que lo que aprendamos aquí también ayude a nuestros colegas a descubrir más estados cuánticos en materiales basados ​​en tierras raras. Esta comprensión fundamental es esencial para formar las plataformas materiales de las futuras tecnologías cuánticas, "dijo Ross.