Un avance que está dando que hablar en la comunidad científica
Tornados cuánticos en el espacio del impulso: un equipo de investigación aporta la primera prueba experimental de un nuevo fenómeno cuántico
Un joven equipo de investigación de Würzburg ha demostrado experimentalmente por primera vez un tornado cuántico perfeccionando un método establecido. En el semimetal cuántico arseniuro de tántalo (TaAs), los electrones en el espacio de momento se comportan como un remolino. Este fenómeno cuántico fue predicho por primera vez hace ocho años por un miembro fundador del clúster de excelencia ct.qmat, con sede en Dresde. El descubrimiento, fruto de la colaboración entre ct.qmat, la red de investigación de las Universidades de Wurzburgo y Dresde y otros socios internacionales, se ha publicado ahora en Physical Review X.
Tornado cuántico en el espacio de momentos
think-design | Jochen Thamm
Los científicos saben desde hace tiempo que los electrones pueden formar vórtices en los materiales cuánticos. La novedad es la prueba de que estas diminutas partículas crean estructuras similares a tornados en el espacio del momento, un hallazgo que ahora se ha confirmado experimentalmente. Este logro ha sido dirigido por el Dr. Maximilian Ünzelmann, jefe de grupo de ct.qmat -Complejidad y Topología en la Materia Cuántica- en las Universidades de Würzburg y Dresde. La demostración de este fenómeno cuántico marca un hito importante en la investigación de materiales cuánticos. El equipo espera que el comportamiento de vórtice de los electrones en el espacio de impulso pueda allanar el camino a nuevas tecnologías cuánticas, como la orbitrónica, que utilizaría el par orbital de los electrones para transmitir información en componentes electrónicos en lugar de depender de la carga eléctrica, reduciendo potencialmente las pérdidas de energía.
Espacio de momento frente a espacio de posición
El espacio de momento es un concepto fundamental de la física que describe el movimiento de los electrones en términos de energía y dirección, en lugar de su posición física exacta. El espacio de posición (su "contrapartida") es el ámbito en el que se producen fenómenos familiares como los vórtices de agua o los huracanes. Hasta ahora, incluso los vórtices cuánticos en materiales sólo se habían observado en el espacio de posición. Hace unos años, otro equipo de investigación de ct.qmat causó sensación en todo el mundo al capturar la primera imagen tridimensional de un campo magnético en forma de vórtice en el espacio de posición de un material cuántico (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250-255).
Teoría confirmada
Hace ocho años, Roderich Moessner teorizó que un tornado cuántico también podría formarse en el espacio de momento. En aquel momento, el cofundador de ct.qmat, con sede en Dresde, describió el fenómeno como un "anillo de humo" porque, al igual que los anillos de humo, está formado por vórtices. Sin embargo, hasta ahora nadie sabía cómo medirlos. Los experimentos revelaron que el vórtice cuántico se crea por el momento angular orbital, es decir, el movimiento circular de los electrones alrededor de los núcleos atómicos. "Cuando vimos por primera vez indicios de que los vórtices cuánticos predichos existían realmente y podían medirse, nos pusimos inmediatamente en contacto con nuestro colega de Dresde y pusimos en marcha un proyecto conjunto", recuerda Ünzelmann.
El tornado cuántico se descubre perfeccionando un método estándar
Para detectar el tornado cuántico en el espacio de momento, el equipo de Würzburg mejoró una conocida técnica llamada ARPES (espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto). "ARPES es una herramienta fundamental en la física experimental del estado sólido. Consiste en iluminar una muestra de material, extraer electrones y medir su energía y ángulo de salida. Esto nos da una visión directa de la estructura electrónica de un material en el espacio de momento", explica Ünzelmann. "Adaptando inteligentemente este método, pudimos medir el momento angular orbital. Llevo trabajando con este método desde mi tesis".
ARPES tiene sus raíces en el efecto fotoeléctrico, descrito por primera vez por Albert Einstein y enseñado en física en la escuela secundaria. Ünzelmann ya había perfeccionado el método en 2021, obteniendo reconocimiento internacional por detectar monopolos orbitales en arseniuro de tántalo. Ahora, al integrar una forma de tomografía cuántica, el equipo ha llevado la técnica un paso más allá para detectar el tornado cuántico, otro gran hito. "Analizamos la muestra capa por capa, de forma similar a como funciona la tomografía médica. Al unir imágenes individuales, pudimos reconstruir la estructura tridimensional del momento angular orbital y confirmar que los electrones forman vórtices en el espacio del momento", explica Ünzelmann.
Red Würzburg-Dresden: Una colaboración mundial
"La detección experimental del tornado cuántico es un testimonio del espíritu de equipo de ct.qmat", afirma Matthias Vojta, catedrático de Física Teórica del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Dresde y portavoz de ct.qmat en Dresde. "Con nuestros centros de física en Würzburg y Dresde, integramos a la perfección teoría y experimentación. Además, nuestra red fomenta el trabajo en equipo entre grandes expertos y científicos noveles, un enfoque que impulsa nuestra investigación sobre materiales cuánticos topológicos. Y, por supuesto, hoy en día casi todos los proyectos de física son un esfuerzo global, incluido éste".
La muestra de arseniuro de tántalo se cultivó en EE.UU. y se analizó en PETRA III, una importante instalación internacional de investigación del Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) de Hamburgo. Un científico de China contribuyó al modelado teórico, mientras que un investigador de Noruega desempeñó un papel clave en los experimentos.
De cara al futuro, el equipo de ct.qmat está estudiando si el arseniuro de tántalo podría utilizarse en el futuro para desarrollar componentes cuánticos orbitales.
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Publicación original
T. Figgemeier, M. Ünzelmann, P. Eck, J. Schusser, L. Crippa, J. N. Neu, B. Geldiyev, P. Kagerer, J. Buck, M. Kalläne, M. Hoesch, K. Rossnagel, T. Siegrist, L.-K. Lim, R. Moessner, G. Sangiovanni, D. Di Sante, F. Reinert, H. Bentmann; "Imaging Orbital Vortex Lines in Three-Dimensional Momentum Space"; Physical Review X, Volume 15, 2025-2-13
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