Un equipo de físicos ha mapeado cómo las energías de los electrones varían de una región a otra en un estado cuántico particular con una claridad sin precedentes. Esta comprensión revela un mecanismo subyacente por el cual los electrones se influyen entre sí, denominada hibridación cuántica, "que había sido invisible en experimentos anteriores.

Los resultados, el trabajo de científicos de la Universidad de Nueva York, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Universidad Rutgers, y MIT, se informan en la revista Física de la naturaleza .

"Este tipo de relación es esencial para comprender un sistema de electrones cuánticos, y la base de todo movimiento, pero a menudo se ha estudiado desde un punto de vista teórico y no se ha considerado observable a través de experimentos. "explica Andrew Wray, profesor asistente en el Departamento de Física de la NYU y uno de los coautores del artículo. "Notablemente, este trabajo revela una diversidad de ambientes energéticos dentro del mismo material, permitiendo comparaciones que nos permitan detectar cómo cambian los electrones entre estados ".

Los científicos centraron su trabajo en el seleniuro de bismuto, o Bi ₂ Se ₃ , un material que ha estado bajo intensa investigación durante la última década como base de tecnologías avanzadas de información y computación cuántica. La investigación en 2008 y 2009 identificó que el seleniuro de bismuto alberga un estado cuántico de "aislante topológico" raro que cambia la forma en que los electrones en su superficie interactúan y almacenan información.

Los estudios realizados desde entonces han confirmado una serie de ideas inspiradas teóricamente sobre los electrones de la superficie del aislante topológico. Sin embargo, porque estas partículas están en la superficie de un material, están expuestos a factores ambientales que no están presentes en la mayor parte del material, haciendo que se manifiesten y se muevan de diferentes maneras de una región a otra.

La brecha de conocimiento resultante, junto con desafíos similares para otras clases de materiales, ha motivado a los científicos a desarrollar técnicas para medir electrones con una resolución espacial de escala micrométrica o nanométrica, permitiendo a los investigadores examinar la interacción de los electrones sin interferencia externa.

los Física de la naturaleza La investigación es uno de los primeros estudios en utilizar esta nueva generación de herramientas experimentales, denominada "espectromicroscopía", y la primera investigación de espectromicroscopía de Bi ₂ Se ₃ . Este procedimiento puede rastrear cómo el movimiento de los electrones superficiales difiere de una región a otra dentro de un material. En lugar de centrarse en la actividad promedio de los electrones en una sola región grande en una superficie de muestra, los científicos recopilaron datos de casi 1, 000 regiones más pequeñas.

Al ampliar el terreno a través de este enfoque, pudieron observar firmas de hibridación cuántica en las relaciones entre electrones en movimiento, como una repulsión entre estados electrónicos que se acercan en energía. Las mediciones de este método iluminaron la variación de las cuasipartículas electrónicas a lo largo de la superficie del material.

"Al observar cómo los estados electrónicos varían en conjunto entre sí a lo largo de la superficie de la muestra, se revelan relaciones condicionales entre diferentes tipos de electrones, y es realmente una nueva forma de estudiar un material, "explica Erica Kotta, estudiante de posgrado de la NYU y primer autor del artículo. "Los resultados proporcionan una nueva visión de la física de los aislantes topológicos al proporcionar la primera medición directa de la hibridación cuántica entre electrones cerca de la superficie".