En un hallazgo que ayudará a identificar estados cuánticos exóticos, Los físicos de RIKEN han visto factores fuertemente contrapuestos que afectan el comportamiento de un electrón en un material cuántico de alta calidad.

Los electrones tienen una propiedad llamada espín, que se puede pensar crudamente como la rotación de un electrón alrededor de un eje. Cuando un electrón se mueve, su movimiento y giro pueden vincularse a través de un efecto conocido como acoplamiento giro-órbita. Este efecto es útil porque ofrece una forma de controlar externamente el movimiento de un electrón en función de su espín, una capacidad vital para una tecnología emergente llamada espintrónica. que busca utilizar el espín de electrones para realizar un procesamiento de información de bajo consumo de energía.

El acoplamiento espín-órbita es una mezcla compleja de física cuántica y relatividad, pero se vuelve un poco más fácil de entender al imaginar una pelota de fútbol redonda. "Si un jugador de fútbol patea la pelota, Vuela en trayectoria recta, "explica Denis Maryenko del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente." Pero si el jugador le da al balón algo de rotación, o girar, su trayectoria se dobla ". La trayectoria de la pelota y su movimiento giratorio están conectados. Si se invierte la dirección de giro, la trayectoria de la bola se doblará en la dirección opuesta.

A diferencia de los balones de fútbol, los electrones también interactúan entre sí:dos partículas cargadas negativamente se repelerán, por ejemplo. Esta repulsión mutua y la interacción espín-órbita compiten entre sí:la primera puede actuar para alinear el espín de un electrón con el de otros electrones, mientras que este último intenta alinear el giro de un electrón con su movimiento.

"Esta interacción ha despertado mucho interés recientemente, ya que podría conducir a la aparición de nuevas fases electrónicas y de espín, que pueden utilizarse en futuras tecnologías cuánticas, ", dice Maryenko." Por lo tanto, es importante comprender los fundamentos de la interacción ". Pero es increíblemente difícil identificar ambos efectos al mismo tiempo.

Ahora, Maryenko y sus colegas han logrado desenredar los dos efectos.

Observaron los electrones atrapados entre dos semiconductores, óxido de zinc y magnesio y óxido de zinc. Dado que el sistema tenía muy pocas impurezas atómicas, hubo una fuerte interacción entre los electrones. Y los investigadores pudieron controlar la fuerza del acoplamiento espín-órbita variando el contenido de magnesio. "Observamos detenidamente cómo cambiaba la resistencia de la muestra cuando aplicamos un campo magnético, "dice Maryenko. De esta manera, pudieron identificar firmas tanto del giro-órbita como de la repulsión mutua debida a las cargas de los electrones.

Este sistema de material de alta calidad representa, por lo tanto, un gran recurso para probar predicciones teóricas y abre un camino para desarrollar fenómenos espintrónicos en regímenes de correlación de electrones fuertes.