Los líquidos de Fermi son sistemas de mecánica cuántica donde los fermiones (como los electrones en un metal) se comportan colectivamente de manera predecible a una temperatura del cero absoluto, equivalente a 0 Kelvin o -273,15 °C.

Los fermiones son una de las dos clases fundamentales de partículas en el universo y obedecen a la estadística de Fermi-Dirac (FD). Esto describe su distribución cuando el sistema está en equilibrio térmico.

Aquí es donde nos encontramos con un interesante sistema cuántico llamado líquido de Fermi. El término "líquido Fermi" proviene de la idea de que, de manera similar a cómo un líquido fluye libremente y puede cambiar de forma, los fermiones en un líquido Fermi se mueven relativamente libremente dentro del material debido a su comportamiento colectivo.

Para los líquidos de Fermi, el comportamiento de los fermiones se caracteriza por una superficie de Fermi. La superficie de Fermi marca una separación en los estados energéticos del líquido de Fermi, indicando estados energéticos llenos y vacíos ocupados por los fermiones.

Los investigadores se sintieron motivados a comprender qué les sucede a los electrones cuando se les aplica una fuerza impulsora periódica mientras se combinan con un baño térmico fermiónico.

El estudio, publicado en Physical Review Letters , fue realizado por el Dr. Li-kun Shi y el Dr. Inti Sodemann Villadiego de la Universität Leipzig en Alemania y el Dr. Oles Matsyshyn y el Dr. Justin C. W. Song de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.

Phys.org habló con los investigadores, quienes citaron una pregunta más importante que esperaban responder:¿Existen fotocorrientes (corrientes resultantes de iluminar un material) en cristales puros (como metales y semiconductores) incluso cuando el material no absorbe luz?

Esta pregunta les llevó al líquido Floquet Fermi.

El líquido Floquet Fermi

En un líquido de Fermi, los estados de energía son continuos, con estados de energía llenos por debajo de la energía de Fermi y estados vacíos por encima de ella. El nivel de energía de Fermi marca el nivel de energía en el que la probabilidad de encontrar un estado de fermión pasa de casi 100 % de ocupación a casi 0 % de ocupación.

En el cero absoluto, todos los estados hasta la energía de Fermi están llenos y todos los estados por encima están vacíos. Este nivel de energía define efectivamente la superficie de Fermi en el espacio de momento:un concepto teórico que ayuda a visualizar lo que sucede dentro de la materia.

Cuando aplicamos una fuerza periódica sobre un líquido de Fermi, sus niveles de energía normales se modifican a bandas de Floquet, que son los niveles de energía modificados del líquido de Fermi debido a la fuerza impulsora. Piense en ello como ondas que se forman en la superficie del agua.

Los investigadores ahora querían comprender qué sucede si este sistema se aleja del equilibrio. Para ello, los investigadores introdujeron un baño fermiónico, que es un reservorio o ambiente compuesto de fermiones.

Los investigadores descubrieron que el líquido Fermi resultante se encuentra en un estado trivial no estacionario, denominado líquido Floquet Fermi. Descubrieron que el líquido resultante no seguía las estadísticas típicas de FD.

Escalera FD y superficies anidadas

En este caso, el estado FFL no se considera trivial porque surge como resultado de la interacción entre fuerzas impulsoras periódicas, interacciones fermiónicas y el entorno circundante.

En lugar de una transición suave en los estados de energía, que se asemeja a un único salto que normalmente se observa en las distribuciones de FD en equilibrio, la ocupación de los estados de energía mostró un patrón similar a una escalera con múltiples saltos.

"Cada uno de estos saltos conduce a la aparición de una nueva superficie de Fermi (la superficie Floquet Fermi)", explicó el Dr. Shi.

"Las superficies de Floquet Fermi que aparecen en el estado FFL están encerradas unas dentro de otras", añadió el Dr. Matsyshyn.

Piense en ello como superficies de Fermi en capas, similar a la situación de una muñeca rusa. Estas superficies Floquent Fermi afectan el comportamiento general del sistema, dando lugar a fenómenos específicos.

Patrones de ritmo en oscilaciones cuánticas y control del comportamiento electrónico

Las oscilaciones cuánticas son cambios periódicos en las propiedades de un material, como la resistencia, en función de parámetros externos como el campo magnético o la presión.

En el caso de las FFL, los investigadores observaron patrones de pulsación en las oscilaciones cuánticas bajo la influencia de un campo magnético externo.

Estos patrones surgen debido a la interferencia entre superficies de Floquet Fermi de diferentes tamaños, que están anidadas unas dentro de otras. La presencia de múltiples superficies Floquet Fermi produce efectos de interferencia constructivos y destructivos, lo que resulta en oscilaciones en la resistencia.

"Los patrones de pulsación en las oscilaciones cuánticas son consistentes con los experimentos de oscilaciones de resistencia inducidas por microondas (MIRO) observados en sistemas de electrones bidimensionales", explicó el Dr. Song.

También proporcionan un medio para diseñar y adaptar el comportamiento electrónico del sistema.

El Dr. Villadiego dijo:"La presencia de múltiples superficies de Fermi permite un mayor control sobre las propiedades electrónicas del sistema. Al ajustar la frecuencia o intensidad de la luz, podemos manipular la forma y la separación de las superficies de Floquet Fermi".

Esto ofrece nuevas posibilidades para controlar el comportamiento electrónico.

Posibles aplicaciones y conocimientos

Una de las lecciones más interesantes que señalan los investigadores es que el estado estacionario no debe verse, como lo expresó el Dr. Shi, como "una especie de versión aburrida y ligeramente más caliente de la distribución FD de equilibrio".

"En cambio, el sistema se acerca a un estado estacionario, que tiene una mayor densidad de energía que el estado de equilibrio, pero este exceso de energía no se almacena como una especie de calor uniforme, sino que conduce a una reorganización muy precisa de la ocupación de los estados que retiene una naturaleza cuántica precisa", afirmó el Dr. Matsyshyn.

Los investigadores también proporcionaron condiciones o criterios que debían cumplirse para realizar la FFL de forma experimental. También enumeraron varias vías potenciales para trabajos futuros, una de las cuales es la cuestión original de la fotocorriente en materiales a granel.

"Utilizando nuestro estado líquido de Floquet Fermi, se puede demostrar rigurosamente que, de hecho, es posible que incluso la luz puramente monocromática impulse una corriente rectificada neta, incluso cuando su frecuencia está dentro del intervalo", afirmó el Dr. Villadiego.

"Estas ideas podrían ser relevantes para el desarrollo de nuevas tecnologías optoelectrónicas, como amplificadores de luz, sensores, células solares y dispositivos de recolección de energía", concluyó el Dr. Song.