Las partículas de magnon que se enfrían rápidamente son una forma sorprendentemente eficaz de crear un estado cuántico evasivo de la materia. llamado condensado de Bose-Einstein. El descubrimiento puede ayudar a avanzar en la investigación de la física cuántica y es un paso hacia el objetivo a largo plazo de la computación cuántica a temperatura ambiente.

Un equipo internacional de científicos ha encontrado una manera fácil de desencadenar un estado inusual de la materia llamado condensado de Bose-Einstein. El nuevo método descrito recientemente en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Se espera que ayude a avanzar en la investigación y el desarrollo de la computación cuántica a temperatura ambiente.

El equipo, dirigido por físicos de la Technische Universität Kaiserslautern (TUK) en Alemania y la Universidad de Viena en Austria, generó el condensado de Bose-Einstein (BEC) a través de un cambio repentino de temperatura:primero calentando cuasi-partículas lentamente, luego enfriarlos rápidamente hasta que alcancen la temperatura ambiente. Demostraron el método usando cuasi-partículas llamadas magnones, que representan los cuantos de las excitaciones magnéticas de un cuerpo sólido.

"Muchos investigadores estudian diferentes tipos de condensados ​​de Bose-Einstein, "dijo el profesor Burkard Hillebrands de TUK, uno de los investigadores líderes en el campo de BEC. "El nuevo enfoque que desarrollamos debería funcionar para todos los sistemas".

Desconcertante y espontáneo

Condensados ​​de Bose-Einstein, nombrado en honor a Albert Einstein y Satyendra Nath Bose, quienes propusieron por primera vez que existían, son un tipo de materia desconcertante. Son partículas que espontáneamente todas se comportan de la misma manera a nivel cuántico, esencialmente convirtiéndose en una entidad. Usado originalmente para describir partículas de gas ideal, Los condensados ​​de Bose-Einstein se han establecido con átomos, así como con cuasi-partículas como bosones, fonones y magnones.

Crear condensados ​​de Bose-Einstein es un asunto complicado porque, por definición, tienen que ocurrir espontáneamente. Establecer las condiciones adecuadas para generar los condensados ​​significa no intentar introducir ningún tipo de orden o coherencia para que las partículas se comporten de la misma manera; las partículas tienen que hacer eso por sí mismas.

En la actualidad, Los condensados ​​de Bose-Einstein se forman al disminuir la temperatura a cerca del cero absoluto, o inyectando una gran cantidad de partículas a temperatura ambiente en un espacio pequeño. Sin embargo, el método de temperatura ambiente, que fue informado por primera vez por Hillebrands y colaboradores en 2005, es técnicamente complejo y solo unos pocos equipos de investigación en todo el mundo tienen el equipo y los conocimientos técnicos necesarios.

El nuevo método es mucho más sencillo. Requiere una fuente de calor, y una diminuta nanoestructura magnética, midiendo cien veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.

"Nuestro progreso reciente en la miniaturización de estructuras magnónicas a escala nanoscópica nos permitió abordar BEC desde una perspectiva completamente diferente, ", dijo el profesor Andrii Chumak de la Universidad de Viena.

La nanoestructura se calienta lentamente a 200 ° C para generar fonones, que a su vez generan magnones de la misma temperatura. La fuente de calor está apagada, y la nanoestructura se enfría rápidamente a temperatura ambiente en aproximadamente un nanosegundo. Cuando esto pasa, los fonones escapan al sustrato, pero los magnones son demasiado lentos para reaccionar, y permanecer dentro de la nanoestructura magnética.

Michael Schneider, autor principal del artículo y Ph.D. estudiante en el Grupo de Investigación de Magnetismo de TUK, explicó por qué sucede esto:"Cuando los fonones escapan, los magnones quieren reducir la energía para mantenerse en equilibrio. Dado que no pueden disminuir el número de partículas, tienen que disminuir la energía de alguna otra manera. Entonces, todos saltan al mismo nivel bajo de energía ".

Al ocupar espontáneamente todos el mismo nivel de energía, los magnones forman un condensado de Bose-Einstein.

"Nunca introdujimos coherencia en el sistema, "Chumak dijo, "por lo que esta es una forma muy pura y clara de crear condensados ​​de Bose-Einstein".

Resultado inesperado

Como suele ocurrir en la ciencia, el equipo hizo el descubrimiento por accidente. Se habían propuesto estudiar un aspecto diferente de los nanocircuitos cuando empezaron a suceder cosas extrañas.

"Al principio pensamos que algo andaba realmente mal con nuestro experimento o análisis de datos, ", Dijo Schneider.

Después de discutir el proyecto con colaboradores en TUK y en los EE. UU., ajustaron algunos parámetros experimentales para ver si lo extraño era en realidad un condensado de Bose-Einstein. Verificaron su presencia con técnicas de espectroscopia.

El hallazgo interesará principalmente a otros físicos que estudian este estado de la materia. "Pero revelar información sobre magnones y su comportamiento en una forma de estado cuántico macroscópico a temperatura ambiente podría influir en la búsqueda para desarrollar computadoras que utilicen magnones como portadores de datos," ", Dijo Hillebrands.