Un equipo de científicos de la Universidad de Purdue ha informado de nuevas pruebas experimentales de un comportamiento colectivo de los electrones para formar "cuasipartículas" llamadas "anonas".

Los anones tienen características que no se ven en otras partículas subatómicas, incluyendo exhibir cargas fraccionarias y estadísticas fraccionarias que mantienen una "memoria" de sus interacciones con otras cuasipartículas al inducir cambios de fase de la mecánica cuántica.

Investigador asociado postdoctoral James Nakamura, con la ayuda de los miembros del grupo de investigación Shuang Liang y Geoffrey Gardner, hizo el descubrimiento mientras trabajaba en el laboratorio del profesor Michael Manfra. Manfra es un profesor distinguido de física y astronomía, Catedrático de Física y Astronomía Bill y Dee O'Brien de Purdue, profesor de ingeniería eléctrica e informática, y profesor de ingeniería de materiales. Aunque este trabajo podría eventualmente resultar relevante para el desarrollo de una computadora cuántica, por ahora, Manfra dijo:debe considerarse un paso importante en la comprensión de la física de las cuasipartículas.

Un artículo de investigación sobre el descubrimiento se publicó en la revista de esta semana. Física de la naturaleza .

El físico teórico ganador del Premio Nobel Frank Wilczek, profesor de física en el MIT, dio a estas cuasipartículas el nombre irónico "anyon" debido a su extraño comportamiento porque, a diferencia de otros tipos de partículas, pueden adoptar "cualquier" fase cuántica cuando se intercambian sus posiciones.

Antes de la creciente evidencia de anyons en 2020, Los físicos habían categorizado las partículas del mundo conocido en dos grupos:fermiones y bosones. Los electrones son un ejemplo de fermiones, y fotones, que forman la luz y las ondas de radio, son bosones. Una diferencia característica entre fermiones y bosones es cómo actúan las partículas cuando están en bucle, o trenzado, uno alrededor del otro. Los fermiones responden de una manera sencilla, y bosones de otra manera sencilla y esperada.

Todos responden como si tuvieran una carga fraccionaria, y aún más interesante, crean un cambio de fase no trivial a medida que se trenzan entre sí. Esto puede dar a las personas un tipo de "memoria" de su interacción.

"Los aniones solo existen como excitaciones colectivas de electrones en circunstancias especiales, ", Dijo Manfra." Pero tienen estas propiedades demostrablemente frías, incluida la carga fraccionada y las estadísticas fraccionarias. Es gracioso, porque tu piensas, "¿Cómo pueden tener menos carga que la carga elemental de un electrón?" Pero lo hacen ".

Manfra dijo que cuando se intercambian bosones o fermiones, generan un factor de fase de más uno o menos uno, respectivamente.

"En el caso de nuestros anyons, la fase generada por el trenzado fue 2π / 3, ", dijo." Eso es diferente a lo que se ha visto antes en la naturaleza ".

Los anyones muestran este comportamiento solo como multitudes colectivas de electrones, donde muchos electrones se comportan como uno bajo condiciones muy extremas y específicas, por lo que no se cree que se encuentren aislados en la naturaleza, Dijo Nakamura.

"Normalmente en el mundo de la física, pensamos en partículas fundamentales, como protones y electrones, y todas las cosas que componen la tabla periódica, ", dijo." Pero estudiamos la existencia de cuasipartículas, que emergen de un mar de electrones que se colocan en determinadas condiciones extremas ".

Debido a que este comportamiento depende del número de veces que se trenzan las partículas, o en bucle, uno alrededor del otro, son más robustas en sus propiedades que otras partículas cuánticas. Se dice que esta característica es topológica porque depende de la geometría del sistema y eventualmente puede conducir a estructuras anyon mucho más sofisticadas que podrían usarse para construir estables, Computadoras cuánticas topológicas.

El equipo pudo demostrar este comportamiento al enrutar los electrones a través de una nanoestructura grabada en forma de laberinto específica hecha de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio. Este dispositivo, llamado interferómetro, confinó los electrones para moverse en una trayectoria bidimensional. El dispositivo se enfrió a una centésima de grado desde el cero absoluto (10 milikelvin), y sometido a un potente campo magnético de 9 Tesla. La resistencia eléctrica del interferómetro generó un patrón de interferencia que los investigadores llamaron "diagrama de pijama". Los saltos en el patrón de interferencia fueron la firma de la presencia de anónimas.

"Definitivamente es una de las cosas más complejas y complicadas que se pueden hacer en física experimental, "Chetan Nayak, físico teórico de la Universidad de California, Santa Bárbara le dijo a Science News.

Nakamura dijo que las instalaciones de Purdue crearon el entorno para que ocurriera este descubrimiento.

"Tenemos la tecnología para hacer crecer el semiconductor de arseniuro de galio que se necesita para realizar nuestro sistema de electrones. Tenemos las instalaciones de nanofabricación en el Centro de Nanotecnología Birck para hacer el interferómetro, el dispositivo que usamos en nuestros experimentos. En el departamento de física, tenemos la capacidad de medir temperaturas ultrabajas y de crear fuertes campos magnéticos ", dijo." Entonces, tenemos todos los componentes necesarios que nos permitieron hacer este descubrimiento aquí en Purdue. Es una gran ventaja hacer investigación aquí y por qué hemos podido hacer este progreso ".

Manfra dijo que el próximo paso en la frontera de las cuasipartículas involucrará la construcción de interferómetros más complicados.

"En los nuevos interferómetros tendremos la capacidad de controlar la ubicación y el número de cuasipartículas en la cámara, ", dijo." Entonces podremos cambiar el número de cuasipartículas dentro del interferómetro a pedido y cambiar el patrón de interferencia como queramos ".