De este “vacío” hemos hablado aquí muchas veces

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“A la izquierda, escalones de tamaño atómico en una superficie. Imagen tomada a tan solo 0.1 grados por encima del cero absoluto con un microscopio construido íntegramente en la UAM. El color indica la altura. La diferencia de altura entre dos escalones es de tan solo unos pocos átomos. En la parte de arriba a la izquierda se observa la red atómica. Las flechas indican las direcciones cristalográficas. A la derecha, dependencia de la conductancia en función de la energía (eje y) y de la posición (eje x). La conductancia es proporcional a la función de onda cuántica. Se observan máximos de la función de onda en las posiciones marcadas por puntos blancos. Resultados obtenidos en el Laboratorio de bajas Temperaturas y Altos Campos Magnéticos del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencias / Edwin Herrera.”

Una colaboración internacional en la que participan miembros de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha observado fenómenos inesperados en la superficie de un nuevo material superconductor. Los resultados, publicados en Nature, permiten a los científicos soñar con dispositivos cuánticos que transporten energía sin pérdidas o insensibles al desorden.

                                        Cuantización de electrones entrelazados

En los laboratorios, desde hace más de tres décadas, es posible obtener superficies atómicamente planas en metales sencillos. En los escalones que se pueden formar entre estas superficies,  los electrones pueden ser atrapados y son muy sensibles a cualquier cambio; por ejemplo, un escalón de tamaño atómico constituye una importante barrera para su propagación.

En física, algunas de las imágenes más espectaculares del fenómeno de la interferencia cuántica se han conseguido estudiando electrones libres en la superficie de metales sencillos y bien conocidos, como el cobre o el oro.

Ahora, una colaboración internacional liderada desde la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), que incluye a investigadores de Colombia, España, Francia, Japón y Suecia, ha puesto el foco en un material de fermiones pesados, el superconductor URu₂Si₂.

Las observaciones, publicadas esta semana en Nature, demuestran por primera vez el fenómeno de cuantización de electrones en fermiones pesados y, además, revelan un tipo de ordenamiento electrónico cuyo origen es totalmente desconocido.

En un peldaño entre dos escalones, los electrones casi no pueden escapar y muestran su naturaleza ondulatoria en pleno esplendor. Esto da lugar a estados cuantizados, que se caracterizan por la formación de ondas cuya distancia entre máximos varía con la energía en múltiplos enteros de un valor determinado” (ver figura), explica Hermann Suderow, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.

“Hasta la fecha, estos estados solo se habían estudiado en sistemas en los que los electrones se comportan casi como si fueran partículas independientes. En los materiales cuánticos los electrones no son independientes y, como consecuencia del entrelazamiento debido a las interacciones, llevan consigo una pesada armadura.

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El misterioso orden oculto

Científicamente se habla de orden oculto para referirse a un misterioso fenómeno de ordenamiento, diferente a cualquier otro tipo de orden electrónico conocido en los sólidos (por ejemplo el magnetismo).

Como parte de los resultados, los estados cuantizados observados en la superficie del superconductor URu₂Si₂ demuestran que los electrones tienen una masa 17 veces superior a la que se encuentra en metales sencillos. Esta masa adicional, según los autores, explica el hecho de que en sus experimentos tuviera que bajarse extremadamente la temperatura para poder observar los nuevos estados cuánticos.

“Las propiedades de los nuevos estados cuánticos nos han servido para caracterizar este misterioso material. Entre otros, hemos observado fenómenos inesperados en las esquinas de los escalones que podrían estar relacionados con el orden oculto”, detalla Edwin Herrera, colaborador de la Universidad Central y de la Universidad Nacional de Colombia, e investigador posdoctoral de la UAM y primer firmante del artículo.

“Se trata de fenómenos colectivos en los que un gran número de partículas se alían para mostrar comportamientos contraintuitivos que desafían la imaginación, como el movimiento sin disipación, la cuantización de la circulación o la protección topológica.”

NOTICIAS

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Los detectores ATLAS y CMS del gran colisionador de hadrones del CERN, en la frontera franco-suiza, han registrado la producción simultánea de cuatro quarks top, la partícula elemental más pesada. Este raro proceso será estudiado más profundamente. El Instituto de Física Corpuscular ha participado en este hallazgo, considerado clave para buscar nuevas partículas más allá del modelo estándar.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, es el único capaz de producir a la vez cuatro quarks top, el proceso más raro que observado hasta la fecha y que produce el estado final más pesado.

El estudio de la producción de cuatro quarks top es particularmente importante, ya que nuevas partículas o fuerzas podrían alterar la probabilidad de producirlos a partir de las predicciones del modelo estándar. Es una especie de ‘Santo Grial’ de la búsqueda de ‘nueva física.

La colaboración científica ATLAS, nombrada como uno de los dos grandes experimentos del LHC y en la que participan más de 5.000 investigadores y técnicos de todo el mundo, ya había encontrado indicios de la producción simultánea de cuatro quarks top en los datos obtenidos entre 2015 y 2018 (durante el llamado periodo de funcionamiento o Run 2).

Tras cuatro años de toma de datos y cinco de análisis, este equipo científico ha revisado la búsqueda aprovechando las mejoras en el rendimiento del detector, nuevas técnicas de análisis (entre ellas el aprendizaje automático denominado Graph Neural Network) y una mejor comprensión de los principales procesos de fondo. Todo ello hace que el resultado, presentado la semana pasada en la conferencia de Moriond (Francia), alcance las seis sigmas, un valor de confianza estadística que confirma el hallazgo.

El entusiasmo que provoca el hallazgo en la comunidad científica de física de partículas proviene del espectacular estado final. Con cuatro quarks top, las masas restantes suman por sí solas 700 giga-electrón-voltios (GeV), cerca de la energía de colisión máxima alcanzada en el anterior acelerador de partículas más potente, el Tevatron en el laboratorio Fermilab (EE UU). El hecho de que el LHC pueda descubrir este proceso es un testimonio del gran poder de esta compleja máquina.

Lo cierto es que, cada día, damos un paso más hacia adelante para conocer los secretos de la Naturaleza.

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Un viaje imposible con velocidad inalcanzable, y, de conseguirla, se producirían fenómenos que, ni podemos imaginar. El cuerpo humano no podría soportar viajar a la velocidad de la luz.

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