Imagine que los electrones se mueven como hormigas en una sola línea, aferrándose a los bordes de una superficie, sin verse afectados por los obstáculos en su camino. En general, los electrones son más caóticos: se mueven en todas direcciones, no fluyen y se dispersan como bolas de billar cuando encuentran un obstáculo.
Sin embargo, en algunos materiales exóticos, estas partículas cargadas pueden organizarse para fluir a lo largo de los bordes en un orden preciso y de una sola fila, un fenómeno que los físicos llaman «estado de borde».
Este comportamiento único, en el que los electrones fluyen y se deslizan sin fricción alrededor de los obstáculos mientras se adhieren a los bordes, ha sido observado directamente por un brillante equipo de físicos en una nube de átomos ultrafríos.
Dirigido por Richard Fletcher, profesor asistente de física en el MIT, el equipo ha capturado, por primera vez, imágenes de este flujo turbulento en los átomos, un avance que cambia la forma en que pensamos sobre la energía y la transferencia de datos. Puede traer una revolución.
¿Cómo fluyen los electrones en el estado de azúcar?
El concepto de estados azucareros no es del todo nuevo. Los científicos lo propusieron por primera vez en la década de 1980 cuando intentaban explicar un fenómeno ahora conocido como efecto Hall cuántico.
En experimentos realizados en campos magnéticos y de frío extremo, los investigadores encontraron que los electrones no fluían uniformemente a través del material; En cambio, se recogieron de un lado en partes de una determinada cantidad.
Para comprender este curioso comportamiento, los físicos propusieron que estas corrientes Hall se movían a través de estados límite. Bajo un campo magnético, se cree que los electrones de la corriente del material se desvían hacia sus bordes, fluyendo en un patrón preciso.
Sin embargo, observar directamente estos estados límite ha sido un gran desafío porque ocurren en escalas increíblemente pequeñas, fracciones de un nanómetro, y duran solo femtosegundos, extremadamente rápido y difícil de capturar.
En lugar de intentar ver electrones en estos estados difusos, Fletcher y sus colegas del MIT decidieron replicar la misma física en una escala más observable.
Dirigieron su atención a átomos ultrafríos en un laboratorio para recrear el comportamiento de los electrones bajo un campo magnético.
Como explica Martin Zwierlein, profesor de Física Thomas A. Frank en el MIT, “en nuestra configuración, ocurre la misma física en los átomos, pero en milisegundos y micras, lo que nos permite tomar fotografías y observar el comportamiento de los átomos en tiempo real. . «
Creando un patio de recreo nuclear ultrafrío
El nuevo experimento del equipo del MIT involucró una nube de alrededor de un millón de átomos de sodio, atrapados en una trampa láser cuidadosamente controlada y enfriados a una temperatura de nanoescala, solo una fracción por encima de cero.
Luego, los científicos usaron la trampa para hacer girar los átomos, creando una fuerza centrífuga que se equilibraba con la resistencia interna de la trampa, muy parecida al tiovivo conocido como Gravtron en los parques de diversiones.
Este delicado equilibrio creó una escena en la que, desde la perspectiva de los átomos, su mundo parecía el mismo, aunque estuviera girando.
También había una tercera fuerza en juego: el efecto Corolla, que desviaba los átomos cada vez que intentaban moverse en línea recta. Esta configuración efectivamente hizo que los átomos se comportaran como si sus electrones se movieran bajo un campo magnético.
Para introducir un «borde» a este entorno creado, los investigadores utilizaron un anillo de luz láser para crear una pared circular alrededor de los átomos en rotación.
Mientras observaban el sistema a través de imágenes de alta resolución, vieron que cuando los átomos encontraban el anillo láser, comenzaban a fluir en la misma dirección a lo largo de sus bordes, como si fueran electrones en un estado de esquina.
Sin complicaciones, no hay problema
Los átomos continuaron viajando sin fricción incluso cuando encontraron obstáculos en su camino. Los investigadores colocaron una pequeña luz, una especie de «bajón de velocidad», a lo largo del borde del anillo láser.
Sorprendentemente, los átomos no colapsaron ni disminuyeron su velocidad. Cruzaron fácilmente la barrera, subiendo el arroyo por sus orillas.
«Enviamos deliberadamente esta gran masa verde ardiente y el átomo tuvo que activarla», explica Fletcher. «Pero en lugar de eso, mágicamente encontraron el camino alrededor de él, regresaron a la pared y continuaron su alegre camino».
Este resultado es importante porque imita directamente cómo se predice que los electrones se comportarán en estados de borde similares.
Las observaciones del equipo demuestran que esta configuración de átomos ultrafríos es un sustituto fiable para estudiar el comportamiento de los electrones en estados fundamentales, que son muy difíciles de observar directamente.
Átomos en estado de borde y tecnología futura
¿Por qué es este el caso? Comprender y controlar los estados de los bordes de los electrones puede conducir a avances tecnológicos notables.
Imagine un material donde los electrones se mueven a lo largo de los bordes sin fricción, transfiriendo energía o datos con perfecta eficiencia, sin pérdidas y sin generación de calor.
Podría revolucionar la electrónica, haciendo que los dispositivos sean más eficientes energéticamente y más potentes.
«Se puede imaginar fabricar pequeños trozos del material adecuado y colocarlos en dispositivos futuros, de modo que los electrones puedan moverse a lo largo de los bordes y entre diferentes partes de su circuito sin sufrir daños», sugiere Fletcher.
Los hallazgos del equipo sientan las bases para futuros estudios destinados a manipular electrones para lograr este flujo descoordinado, lo que podría allanar el camino para dispositivos electrónicos y sistemas de energía súper eficientes.
La belleza del flujo de electrones, revelada
Más allá de las aplicaciones prácticas, también existe una sensación de asombro al mirar algo extraño y pequeño.
«Es realmente especial verlos porque estos estados ocurren en femtosegundos y en fracciones de nanómetro, lo cual es increíblemente difícil de capturar», dice Fletcher.
«Es una realización muy clara de una pieza muy hermosa de la física, y podemos demostrar directamente la importancia y la realidad de esta ventaja».
A continuación, el equipo planea introducir más restricciones e interacciones en el sistema, adentrándose en territorio inexplorado donde los resultados aún no están claros.
Esperan descubrir aún más sobre la naturaleza fundamental de estos estados inusuales y descubrir cómo se pueden utilizar en materiales y tecnologías del mundo real.
Más preguntas que respuestas
Si bien los resultados del equipo son prometedores, también plantean varias preguntas. ¿Cómo se comportarán estos estados límite en un entorno más complejo?
¿Pueden reproducirse de forma fiable en diferentes materiales, no sólo en átomos ultrafríos? ¿Podremos eventualmente crear materiales del mundo real que utilicen estas propiedades a gran escala?
Éstas son preguntas que Fletcher y su equipo seguirán explorando. A medida que profundicen en los misterios de los estados límite, es posible que revelen el próximo gran salto en la ciencia y la tecnología de los materiales.
Pero por ahora, podemos maravillarnos con esta visión única de un mundo donde la física funciona de maneras extrañas y extrañas, justo en los límites.
El estudio completo fue publicado en la revista La física de la naturaleza..
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