Una reciente revelación, y el descubrimiento de una nueva clase de transición cuántica, abre el camino para un nuevo subcampo de la física de materiales y tecnologías cuánticas. Esta semana un artículo en Nature Physics informa de resultados sobre las propiedades cuánticas de cristales ferroeléctricos cuando los científicos exploraban un nuevo tipo de transición de fase cuántica en estos materiales aparentemente «inertes»

Las transiciones de fase cuánticas son sutilmente diferentes de las familiares transiciones de fase clásicas, de las cuales un ejemplo sería la congelación del agua o la fusión del hielo cuando se varía su temperatura. En esa transición, la materia se transforma en un estado más o menos ordenado en función de las reducciones y aumentos de su temperatura. Sin embargo, si la temperatura se ha fijado hipotéticamente en el cero absoluto, y se aplica otro parámetro, tal como la presión, para causar una transición, ésta se produciría sin ningún cambio en la entropía, es decir, sería un transición de ‘ordenada a ordenada’. En la cercanía de una transición de fase con entropía cero, uno se encuentra a menudo con la aparición de la superconductividad u otras formas novedosas de orden cuántico.

Los materiales ferroeléctricos constan de dipolos eléctricos en celdas unitarias de la red cristalina (véase la Figura 1). Debido a las interacciones entre ellos, estos dipolos pueden alinearse, lo que da como resultado campos eléctricos ordenados embebidos en el cristal. Utilizando presión, sustitución química o isotópica, los materiales ferroeléctricos se pueden sintonizar en el régimen cuántico crítico donde las fluctuaciones dipolo efectivamente existen en un espacio de cuatro dimensiones y se dan debido a lo crítico de las vibraciones cuánticas de la red polar. Esta física es muy diferente a la encontrada en otros sistemas críticos cuánticos, centrados en los grados de libertad electrónicos o de espín. Curiosamente, el espectro de fluctuación que se encuentra en los materiales ferroeléctricos cuánticos críticos es la misma que en las partículas elementales de la física, es decir, modos que se propagan en tres dimensiones espaciales más una dimensión de tiempo.

Los efectos más llamativos se observaron en el mineral titanato de estroncio (SrTiO₃), utilizando un aparato de medición de alta precisión desarrollado especialmente en Cambridge. Los cristales de SrTiO₃ se pueden cortar en gemas hermosas como la que se muestra en la Figura 2 y han sido utilizados por los artesanos y joyeros durante décadas. Tienen una gama de aplicaciones técnicas importantes en la óptica y en los dispositivos electrónicos. Cuando se enfría los cristales por debajo de 50K comienzan a vibrar con fluctuaciones cuánticas altamente anarmónicas, que cambian drásticamente las propiedades físicas que se miden. Fundamentalmente, sus propiedades termodinámicas dependen de las propiedades de las fluctuaciones que dependen del tiempo, un hecho que no es el caso que se da cerca de un punto crítico clásico.

Figura 2: gema cristalina de SrTiO3

Yendo más allá de los aislantes ferroeléctricos, se pueden introducir portadores de carga de electrones, por ejemplo, por medio de un voltaje en una compuerta o con sustituciones químicas. El primero de los superconductores de óxido —SrTiO₃ dopado— descubierto en la década de 1960, es de este tipo. La superconductividad parece surgir en el intrigante límite anti-adiabático, lo que plantea un gran desafío a la teoría. La comprensión de la superconductividad en el SrTiO₃ y el KTaO₃ ha seguido siendo particularmente difícil de alcanzar. Las nuevas mediciones y la teoría llevada a cabo por el equipo de Cambridge han demostrado cómo los nuevos fonones ópticos polares que existen cerca del punto crítico cuántico ferroeléctrico pueden mediar en este tipo de superconductividad. Esto implica una función brecha que oscila en el tiempo para evitar partes repulsivas en las posibles interacciones electrón-electrón que dependen del tiempo. Este conocimiento ya está guiando la búsqueda de nuevos tipos de superconductores y otros estados correlacionados de materia cuántica.

Además desentrañar la naturaleza cuántica de los materiales ferroeléctricos, no sólo aclara las piezas que faltan en nuestra comprensión de los fenómenos que van desde la superconductividad de alta temperatura a los efectos emergentes de los aisladores, sino que también nos permite pensar acerca de cómo esto puede servir de información para la evolución de la computación cuántica y en el enfriamiento de chips en los dispositivos electrónicos. Por otra parte, dentro de los desarrollos de la física fundamental, los modelos construidos por Rowley y sus colaboradores llegan excitantemente más lejos en las analogías entre la física de partículas y la cosmología.

Fuente: Physorg. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Se trata de un hadrón exótico formado al menos por cuatro quarks, en lugar de los dos o tres habituales. El experimento LHCb, que se desarrolla en el CERN (Ginebra, Suiza), ha demostrado definitivamente la existencia de un hadrón exótico, que a diferencia de lo que es habitual, no está formado por dos ni por tres quarks, sino al menos por cuatro, en concreto dos quarks y dos antiquarks. Los resultados confirman experimentos anteriores, pero con una evidencia abrumadora

Los hadrones o partículas formadas por quarks, la materia que compone los átomos y a nosotros mismos, se clasifican en dos tipos: bariones (formados por tres quarks, como el protón y el neutrón del núcleo del átomo) y mesones (formados por un par quark-antiquark, su antipartícula).

Sin embargo, la colaboración LHCb del CERN (Ginebra, Suiza) ha encontrado una evidencia incontrovertible de que existe una partícula, llamada Z(4430), con una masa aproximadamente cuatro veces la del protón, que tiene al menos cuatro quarks, dos quarks y dos antiquarks para ser exactos. Es decir, que no encaja en el esquema tradicional.

La evidencia hecha pública la semana pasada confirma un resultado anterior del experimento Belle (2008), pero ahora con una evidencia abrumadora. Los investigadores de LHCb han analizado más de 25.000 desintegraciones de mesones B, y los datos indican que Z(4430) se trata de un estado cuántico, una partícula verdadera, con un nivel de significancia estadística cercano a 14 sigma (la evidencia de que se trata de una verdadera observación y no el resultado de algún error en la medida).

Como explica Bernardo Adeva, investigador de la Universidad de Santiago de Compostela (USC) participante en el experimento LHCb, en la nota de prensa del Centro nacional de física de Partículas (CPAN), se han encontrado evidencias «de nuevas formas de agregación de la materia, estados ‘moleculares’ constituidos por quarks más complejos de los que hasta ahora se conocían, que algunos denominan tetraquarks. Dos de los quarks que componen este nuevo estado son del tipo charm (encanto, en inglés)».

«El resultado tiene gran importancia en el estudio de la cromodinámica cuántica (QCD), que estudia las interacciones fuertes o nucleares», continúa el investigador. La fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que permite que el núcleo atómico se mantenga unido.

«Existían algunas conjeturas sobre la existencia de este tipo de estados exóticos», añade. Aunque el hallazgo no rompe con la teoría de QCD, revela aspectos de la teoría que ahora sabemos no son puramente especulativos, e impulsa enormemente la investigación teórica en esta dirección».

En este sentido, atendiendo a la relativamente elevada masa de este estado (del orden de la de un núcleo ligero), y a pesar de que no se trate de un barión (los núcleos del átomo están hechos de bariones: protones y neutrones), «el hallazgo concierne también al campo de la física nuclear o hadrónica».

La colaboración LHCb está formada por 670 científicos de 65 instituciones y 15 países, entre ellos España. Además de investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela, participan científicos de la Universidad de Barcelona y la Universidad Ramón Llull. Recientemente se han incorporado a la colaboración investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV). La participación española en el LHC se coordina y promueve desde el CPAN (Centro nacional de física de Partículas, Astropartículas y Nuclear).

Fuente: Tendencias Científicas y Physical Review Letters. Aportado por Eduardo J. Carletti

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