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Fenómeno 'exótico' recién descubierto allana el camino para los dispositivos cuánticos

Fenómeno 'exótico' recién descubierto allana el camino para los dispositivos cuánticos


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Un exótico fenómeno físico conocido como anomalía de Kohn ha sido descubierto por primera vez en un tipo inesperado de material por investigadores del MIT.

Los científicos dicen que los hallazgos podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre ciertos procesos fundamentales que determinan las complejas interacciones electrónicas bajo el capó de muchos de nuestros dispositivos electrónicos.

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A su vez, esto podría conducir al "desarrollo de materiales con nuevas propiedades térmicas o electrónicas [que son] tan nuevas que necesitamos tiempo para pensar en lo que pueden hacer", dice Brent Fultz, profesor de ciencia de materiales y física aplicada en Caltech, que no participó en el estudio.

Estudiar interacciones electrónicas

Los procesos físicos que tienen lugar dentro de muchos dispositivos electrónicos están determinados por interacciones entre electrones y fonones, que son, esencialmente, una onda de vibraciones que atraviesa un material cristalino.

Entre los procesos que afectan estas interacciones se encuentran la forma en que los materiales resisten la corriente eléctrica, así como la temperatura a la que algunos materiales se convierten en superconductores y los requisitos de muy baja temperatura para las computadoras cuánticas.

El problema es que las interacciones electrón-fonón han sido increíblemente difíciles de estudiar en detalle debido al hecho de que son muy débiles y difíciles de leer.

En un intento por estudiar estas interacciones con más claridad, un equipo de investigadores del MIT indujo una anomalía de Kohn, que anteriormente se pensaba que existía solo en metales, en un material exótico llamado semimetal de Weyl topológico.

El hallazgo podría ayudar a arrojar luz sobre las complejas interacciones entre electrones y fotones, dice el equipo, ayudando en la búsqueda de nuevos materiales para computadoras avanzadas.

Un matrimonio de teoría y observación

El estudio, que se basa tanto en predicciones teóricas como en observaciones experimentales, se publicó esta semana en la revistaCartas de revisión física.

Las anomalías de Kohn fueron descubiertas por primera vez en la década de 1950 por el físico Walter Kohn. Reflejan un cambio repentino, a veces denominado meneo o torcedura, en el gráfico que describe un parámetro físico llamado función de respuesta electrónica.

Esta discontinuidad repentina refleja un cambio en la capacidad de los electrones para proteger los fonones. Esto puede causar inestabilidades en la propagación de electrones a través del material y puede dar lugar a una serie de nuevas propiedades electrónicas.

Para medir estas interacciones precisas, el equipo utilizó sondas avanzadas de dispersión de rayos X y neutrones en tres laboratorios nacionales: el Laboratorio Nacional Argonne, el Laboratorio Nacional Oak Ridge y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, para examinar el comportamiento del material de fosfuro de tantalio.

“Predijimos que hay una anomalía de Kohn en el material simplemente basándonos en la teoría pura”, explicó el profesor Mingda Li en un comunicado de prensa. Utilizando los cálculos, "podríamos guiar los experimentos hasta el punto en que queramos buscar el fenómeno, y vemos una muy buena concordancia entre la teoría y los experimentos".

Martin Greven, profesor de física en la Universidad de Minnesota que no participó en esta investigación, dice que este trabajo “tiene una amplitud y profundidad impresionantes, que abarca tanto la teoría sofisticada como los experimentos de dispersión. Abre nuevos caminos en la física de la materia condensada, ya que establece un nuevo tipo de anomalía de Kohn ".

Una mejor comprensión de los acoplamientos electrón-fonón, a través de esta novedosa observación de la anomalía de Kohn, podría ayudar a abrir el camino para desarrollar materiales, como mejores superconductores de alta temperatura o computadoras cuánticas tolerantes a fallas, dice el equipo de investigación.

“Creo que esto podría llevarnos a comprender mejor los procesos que subyacen a algunos de estos materiales que son muy prometedores para el futuro”, dice Andrejevic, quien junto con el científico investigador Fei Han fue coautor principal del artículo.

Al ampliar nuestra comprensión de estos materiales exóticos, es posible que veamos avances aún desconocidos en campos como la computación cuántica, que promete revolucionar la forma en que interactuamos con el mundo digital.


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