Los físicos observan una nueva cuasipartícula, el "Leviton"

Físicos de Francia y Suiza han observado un nuevo tipo de cuasipartícula, a la que se ha bautizado «levitón», predicha originalmente en 1996 por un equipo dirigido por Leonid Levitov. El fenómeno consiste en la excitación un único electrón, lo que crea una onda que se propaga en forma coherente a través de un metal. La capacidad de crear levitones cuando sea necesario podría conducirnos a la creación de circuitos de electrónica cuántica que involucren el envío de electrones individuales a través de diminutos circuitos

Se puede imaginar a los electrones en un metal o en un semiconductor como un «mar de Fermi» de partículas, donde los electrones de alta energía quedan en la superficie. Normalmente, si un electrón recibe un impulso extra de energía éste salta del ‘mar de Fermi’, creando un «agujero», que en sí mismo es una cuasipartícula. Sin embargo, dadas ciertas circunstancias especiales, un electrón (o unos pocos electrones ) pueden brotar del mar Fermi sin crear un agujero, como surge una ola en el océano. Esta excitación se podría propagar a través del material como una diminuta partícula que obedece a las reglas de la mecánica cuántica, una cuasipartícula.

Buscando, buscando, buscando

Este tipo de excitación fue sugerida en principio por Levitov y sus colegas, y de inmediato inspiró otro físico, Christian Glättli, que ha estado, desde entonces, tratando de diseñar experimentos para crear levitones. Trabajando en CEA Saclay, cerca de París, el equipo de Glättli, junto con físicos de la Universidad Diderot de Paris y del ETH de Zürich, ha logrado crear levitones, y confirmaron su existencia utilizando diversas técnicas.

Sus experimentos se llevaron a cabo en una película de metal tan delgada que sus electrones se comportaban como un gas 2D. Los levitones son creados en un extremo del dispositivo utilizando un electrodo que aplica un impulso eléctrico con una forma temporal específica, conocida como distribución de Lorentz. Entonces los levitones viajan a través de un contacto de punto cuántico (QPC) que se crea en un espacio estrecho entre dos electrodos ubicados a mitad del dispositivo (ver la figura). Cuando se aplica el apropiado voltaje de compuerta a estos electrodos, el espacio entre ellos se convierte en un canal unidimensional para los electrones. Después de franquear el QPC, la carga transportada por los levitones se detecta por medio de un cuarto electrodo en el extremo más alejado del dispositivo .

Escuchando en el ruido

Si bien se puede medir la llegada de un pulso de electrones con el cuarto electrodo, los investigadores no pueden decir si fue transportado por un leviton o a través de la vía más convencional de la excitación hueco-electrón. Así que, para confirmar que se creaban levitones, el equipo utilizó una técnica llamada espectroscopia de ruido, que consiste en enfriar el dispositivo a unos helados 35 mK (miliKelvin) y medir el ruido electrónico en la muestra.

La teoría dice que debería haber más ruido en la muestra cuando existen excitaciones electrón-hueco que cuando hay allí levitones. El equipo midió el ruido cuando se aplicaban pulsos lorentzianos al dispositivo. También se hicieron mediciones utilizando pulsos cuadrados y sinusoidales, debido a que éstos son más propensos a producir excitaciones electrón-hueco en lugar de levitones. En efecto, hubo significativamente menos ruido cuando se utilizaron los pulsos lorentzianos, en comparación con los pulsos cuadrados y sinusoidales.

Anti-agrupamiento de electrones

Para confirmar que, de hecho, los levitones son cuasipartículas que obedecen las reglas de la mecánica cuántica, el equipo hizo un «experimento Hong-Ou-Mandel». En éste, dos levitones fueron disparados al mismo tiempo a un divisor de haz, desde extremos opuestos del dispositivo. El QPC actúa como divisor del haz, ya que los levitones obedecen a la estadística de Fermi-Dirac; dos levitons siempre seguirán diferentes caminos a través del divisor de haz. Este es un efecto de la mecánica cuántica llamado anti-agrupamiento.

Una vez más, Glättli y sus colegas utilizaron la espectroscopia de ruido para buscar la evidencia de este anti-agrupamiento. Cuando se produce el anti-agrupamiento, el ruido asociado con los levitones debía desaparecer. El equipo confirmó esto ajustando el retardo entre los levitones que alcanzaban el divisor de haz y el momento de la medición del ruido. A medida que el retardo se fue acercando a cero, sucedía el anti-agrupamiento y el ruido se reducía significativamente, tal como se esperaba para los levitones.

Según Glättli, los levitones tienen la misma masa efectiva de los electrones e interactúan con los campos electromagnéticos de la misma manera. Como resultado, la alimentación de levitones se podría imaginarse como una fuente de electrones individuales que opera a necesidad, a diferencia de emitir electrones en momentos aleatorios. Estas fuentes han sido difíciles de construir y podrían tener importantes aplicaciones en computación y metrología cuántica, que utilizan electrones individuales de la misma forma que los sistemas de óptica cuántica utilizan fotones individuales.

«Un significativo avance»

J.T. Janssen, que desarrolla técnicas de metrología cuántica en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL), describió este trabajo como «un importante paso adelante». Y destaca el hecho de que Glättli y sus colegas fueron capaces de demostrar que los levitones se mantenían coherentes a una distancia tan grande como 100 µm, algo muy importante para las aplicaciones prácticas.

Leonid Levitov dijo a physicsworld.com que el trabajo de Glättli es «completo y convincente», y agregó que la técnica de detección es similar a la descrita por Levitov y sus colegas en un artículo publicado en 2006. Levitov, que trabaja en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, señaló que está orgulloso del trabajo que hizo en la década de los 90, y se congratula de que se haya confirmado en el laboratorio. «En cuanto al chistoso nombre, creo que está bien, siempre y cuando ayude a transmitir el mensaje, y es probable que lo haga.»

En cuanto a Glättli, está trabajando actualmente con un grupo que se especializa en la creación de gases atómicos fermiónicos y ultrafríos, para ver si los levitones se pueden crear en este tipo de sistemas.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

El efecto de Hong-Ou-Mandel es un efecto de interferencia de dos fotones en óptica cuántica. El efecto fue demostrado experimentalmente por Hong, Ou y Mandel en 1987. El efecto se produce cuando dos paquetes de ondas de un solo fotón idénticos entran en un divisor de haz 50:50, una en cada puerto de entrada. Cuando la coincidencia temporal de los fotones en el divisor de haz es perfecto, los dos fotones siempre se salen del divisor de haz en el mismo modo de salida. Los fotones tienen una probabilidad de 50-50 de que salga de cualquier modo de salida.

Mientras que muchos experimentos de un solo fotón pueden ser explicados por la óptica clásica, el efecto de Hong-Ou-Mandel es un fenómeno de la mecánica cuántica quintaesencia. El efecto proporciona uno de los mecanismos físicos subyacentes de puertas lógicas en computación cuántica óptica lineal.

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