Un nuevo descubrimiento dirigido por la Universidad de Princeton podría alterar nuestra comprensión de cómo se comportan los electrones en condiciones extremas en materiales cuánticos. El hallazgo proporciona evidencia experimental de que este bloque de construcción familiar de la materia se comporta como si estuviera hecho de dos partículas:una partícula que le da al electrón su carga negativa y otra que le proporciona su propiedad de imán. conocido como giro.

"Creemos que esta es la primera evidencia contundente de separación espín-carga, "dijo Nai Phuan Ong, Profesor de Física Eugene Higgins de Princeton y autor principal del artículo publicado esta semana en la revista. Física de la naturaleza .

Los resultados experimentales cumplen una predicción hecha hace décadas para explicar uno de los estados de la materia más alucinantes, el líquido de espín cuántico. En todos los materiales, el giro de un electrón puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En el imán familiar todos los espines apuntan uniformemente en una dirección en toda la muestra cuando la temperatura desciende por debajo de una temperatura crítica.

Sin embargo, en materiales líquidos de centrifugado, los giros son incapaces de establecer un patrón uniforme incluso cuando se enfrían muy cerca del cero absoluto. En lugar de, los giros cambian constantemente de una manera estrechamente coordinada, coreografía entrelazada. El resultado es uno de los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos, un estado de gran interés para los investigadores en el creciente campo de la computación cuántica.

Para describir este comportamiento matemáticamente, Philip Anderson, físico de Princeton, ganador del premio Nobel (1923-2020), quien predijo por primera vez la existencia de líquidos de hilado en 1973, propuso una explicación:en el régimen cuántico, un electrón puede considerarse compuesto de dos partículas, uno que lleva la carga negativa del electrón y el otro que contiene su espín. Anderson llamó espinón a la partícula que contiene espín.

En este nuevo estudio, El equipo buscó signos del spinon en un líquido de spin compuesto de átomos de rutenio y cloro. A temperaturas de una fracción de Kelvin por encima del cero absoluto (o aproximadamente -452 grados Fahrenheit) y en presencia de un campo magnético alto, Los cristales de cloruro de rutenio entran en estado líquido de giro.

El estudiante de posgrado Peter Czajka y Tong Gao, Doctor. 2020, conectó tres termómetros altamente sensibles al cristal sentado en un baño mantenido a temperaturas cercanas a los cero grados Kelvin absolutos. Luego aplicaron el campo magnético y una pequeña cantidad de calor a un borde de cristal para medir su conductividad térmica. una cantidad que expresa qué tan bien conduce una corriente de calor. Si los espinones estuvieran presentes, deben aparecer como un patrón oscilante en un gráfico de la conductividad térmica frente al campo magnético.

La señal oscilante que estaban buscando era minúscula, sólo unas pocas centésimas de cambio de grado, por lo que las mediciones exigían un control extraordinariamente preciso de la temperatura de la muestra, así como calibraciones cuidadosas de los termómetros en el fuerte campo magnético.

El equipo utilizó los cristales más puros disponibles, los cultivados en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) bajo el liderazgo de David Mandrus, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad de Tennessee-Knoxville, y Stephen Nagler, director de la división de materia condensada cuántica de ORNL. El equipo de ORNL ha estudiado exhaustivamente las propiedades líquidas de espín cuántico del cloruro de rutenio.

En una serie de experimentos llevados a cabo durante casi tres años, Czajka y Gao detectaron oscilaciones de temperatura consistentes con espinones con una resolución cada vez más alta, proporcionando evidencia de que el electrón está compuesto por dos partículas consistentes con la predicción de Anderson.

"La gente ha estado buscando esta firma durante cuatro décadas, "Ong dijo, "Si se validan este hallazgo y la interpretación del espinón, avanzaría significativamente en el campo de los líquidos de espín cuántico ".

Czajka y Gao pasaron el verano pasado confirmando los experimentos mientras estaban bajo restricciones COVID que les obligaban a usar máscaras y mantener el distanciamiento social.

"Desde el punto de vista puramente experimental, "Czajka dijo, "Fue emocionante ver resultados que de hecho rompen las reglas que se aprenden en las clases de física elemental".