Entre todos los curiosos estados de la materia que pueden coexistir en un material cuántico, luchando por la preeminencia como temperatura, la densidad de electrones y otros factores cambian, algunos científicos piensan que existe una yuxtaposición particularmente extraña en una única intersección de factores, llamado el punto crítico cuántico o QCP.

"Los puntos críticos cuánticos son un tema muy candente e interesante para muchos problemas, "dice Wei-Sheng Lee, científico de planta del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía e investigador del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES). “Algunos sugieren que son incluso análogos a los agujeros negros en el sentido de que son singularidades, intersecciones puntuales entre diferentes estados de la materia en un material cuántico, donde se puede obtener todo tipo de comportamiento de electrones muy extraño al acercarse a ellos. "

Lee y sus colaboradores informaron en Física de la naturaleza hoy que han encontrado pruebas sólidas de que existen los QCP y sus fluctuaciones asociadas. Utilizaron una técnica llamada dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) para probar el comportamiento electrónico de un material de óxido de cobre, o cuprato, que conduce la electricidad con perfecta eficiencia a temperaturas relativamente altas.

Estos supuestos superconductores de alta temperatura son un campo de investigación muy activo porque podrían dar lugar a una transmisión de energía sin desperdicio. sistemas de transporte energéticamente eficientes y otras tecnologías futuristas, aunque nadie conoce todavía el mecanismo microscópico subyacente detrás de la superconductividad de alta temperatura. La existencia de QCP en cupratos también es un tema muy debatido.

En experimentos en la Diamond Light Source del Reino Unido, el equipo enfrió el cuprato a temperaturas por debajo de 90 kelvin (menos 183 grados Celsius), donde se convirtió en superconductor. Centraron su atención en lo que se conoce como orden de carga:franjas alternas en el material donde los electrones y sus cargas negativas son más densos o más escasos.

Los científicos excitaron el cuprato con rayos X y midieron la luz de rayos X que se dispersó en el detector RIXS. Esto les permitió trazar un mapa de cómo las excitaciones se propagaban a través del material en forma de vibraciones sutiles, o fonones, en la red atómica del material, que son difíciles de medir y requieren herramientas de muy alta resolución.

Al mismo tiempo, los rayos X y los fonones pueden excitar electrones en las franjas de orden de carga, haciendo que las rayas fluctúen. Dado que los datos obtenidos por RIXS reflejan el acoplamiento entre el comportamiento de las franjas de carga y el comportamiento de los fonones, La observación de los fonones permitió a los investigadores medir el comportamiento de las franjas de orden de carga, también.

Lo que los científicos esperaban ver es que cuando las franjas del orden de carga se debilitaban, sus excitaciones también se desvanecerían. "Pero lo que observamos fue muy extraño, ", Dijo Lee." Vimos que cuando el orden de carga se debilitaba en el estado superconductor, las excitaciones de la orden de carga se hicieron más fuertes. Esto es una paradoja porque deben ir de la mano, y eso es lo que la gente encuentra en otros sistemas de órdenes de carga ".

Él agregó, “Que yo sepa, este es el primer experimento sobre el orden de carga que ha mostrado este comportamiento. Algunos han sugerido que esto es lo que sucede cuando un sistema está cerca de un punto crítico cuántico, donde las fluctuaciones cuánticas se vuelven tan fuertes que derriten el orden de carga, al igual que calentar el hielo aumenta las vibraciones térmicas en su rígida red atómica y lo derrite en agua. La diferencia es que la fusión cuántica, en principio, ocurre a temperatura cero. "En este caso, Lee dijo, las excitaciones de orden de carga inesperadamente fuertes observadas con RIXS fueron manifestaciones de esas fluctuaciones cuánticas.

Lee dijo que el equipo ahora está estudiando estos fenómenos en un rango más amplio de temperaturas y en diferentes niveles de dopaje, donde se agregan compuestos para cambiar la densidad de los electrones que se mueven libremente en el material, para ver si pueden determinar exactamente dónde es crítico cuántico. El punto podría estar en este material.

Thomas Devereaux, teórico del SIMES y autor principal del informe, señaló que muchas fases de la materia se pueden entrelazar en cupratos y otros materiales cuánticos.

"Estados superconductores y magnéticos, Las franjas de orden de carga, etc., están tan enredadas que puede estar en todas al mismo tiempo, ", dijo." Pero estamos atrapados en nuestra forma clásica de pensar que tienen que ser de una forma u otra ".

Aquí, él dijo, "Tenemos un efecto, y Wei-Sheng está tratando de medirlo en detalle, tratando de ver qué está pasando ".