Hallazgo histórico en las entrañas de la física: detectan vórtices cuánticos, los enigmáticos “tornados cuánticos”

En el mundo de la física cuántica, a veces las predicciones más sorprendentes tardan años en confirmarse. Ocho años atrás, el físico Roderich Moessner propuso la existencia de un fenómeno exótico en ciertos materiales cuánticos: estructuras en forma de vórtice que se forman en el espacio de impulsos, un ámbito menos intuitivo que el espacio real donde ocurren los fenómenos que podemos ver o tocar.

Ahora, un equipo de investigadores del Cluster de Excelencia ct.qmat de las universidades de Würzburg y Dresde ha logrado demostrar experimentalmente esta idea. Han encontrado lo que llaman “tornados cuánticos”, remolinos de electrones en el espacio de impulsos. Este descubrimiento, publicado en Physical Review X, abre una nueva puerta en la comprensión de los materiales cuánticos y podría sentar las bases de tecnologías innovadoras como la orbitrónica, que aprovecharía el movimiento orbital de los electrones en lugar de su carga para transmitir información​.

¿Qué es el “espacio de impulsos” (momento) y por qué es tan importante?

Para comprender este hallazgo, primero hay que entender la diferencia entre el espacio de posición y el espacio de impulsos. El primero es el mundo que conocemos: los objetos tienen posiciones definidas y se mueven de un lugar a otro. En cambio, el espacio de impulsos describe las partículas según su energía y dirección de movimiento, sin especificar dónde están exactamente en el espacio real​.

En física, el concepto de “espacio de impulsos” (también conocido como momentum space en inglés) se refiere a la representación de las partículas en función de su cantidad de movimiento en lugar de su posición en el espacio. Una traducción alternativa sería “espacio de momentos”.

Hasta ahora, los vórtices cuánticos solo se habían observado en el espacio de posición. Por ejemplo, en superfluidos o en los campos magnéticos de algunos materiales exóticos. Pero esta es la primera vez que se demuestra su existencia en el espacio de impulsos. Este resultado no solo confirma una teoría previa, sino que también introduce la posibilidad de nuevas propiedades cuánticas que podrían ser aprovechadas tecnológicamente​.

El experimento que detectó los tornados cuánticos

Para demostrar la existencia de estos vórtices en el espacio de momento, los investigadores utilizaron un material conocido como arseniuro de tántalo (TaAs), un semimetal topológico que ya había sido objeto de numerosos estudios por su estructura electrónica inusual.

El equipo empleó una técnica avanzada llamada ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy), que permite “ver” la estructura electrónica de un material disparando luz sobre él y midiendo la energía y el ángulo con el que los electrones salen expulsados. Según Maximilian Ünzelmann, líder del estudio, esta técnica fue clave para “obtener una imagen directa de la estructura electrónica del material en el espacio de impulsos”​.

La novedad del experimento radica en la manera en que refinaron la técnica ARPES, combinándola con una especie de tomografía cuántica. Analizaron el material capa por capa, reconstruyendo una imagen tridimensional del comportamiento de los electrones. Con este enfoque, lograron identificar patrones de vorticidad en el espacio de momento que coinciden con la predicción teórica de Moessner​.

Un descubrimiento con potencial tecnológico: la orbitrónica

Uno de los aspectos más prometedores de este hallazgo es su posible aplicación en una nueva rama de la electrónica llamada orbitrónica. A diferencia de la electrónica convencional, que se basa en la carga de los electrones, la orbitrónica propone aprovechar el momento angular orbital de estos para desarrollar dispositivos más eficientes y con menor disipación de energía​.

Según los investigadores, los tornados cuánticos podrían desempeñar un papel clave en esta tecnología. En el futuro, podría ser posible diseñar materiales que manipulen estos vórtices cuánticos de manera controlada, creando nuevos tipos de componentes electrónicos más veloces y con menor consumo energético​.

Además, este descubrimiento podría tener implicaciones en otros campos, como la computación cuántica y el desarrollo de nuevos materiales con propiedades aún no exploradas. Los nodos cuánticos que se han detectado en el arseniuro de tántalo podrían estar relacionados con nuevos estados topológicos de la materia, lo que abre el camino a una línea completamente nueva de investigación​.

Un esfuerzo internacional para desvelar los secretos de la cuántica

El hallazgo de los tornados cuánticos ha sido posible gracias a una colaboración internacional. El experimento fue realizado en el sincrotrón PETRA III en Hamburgo, con muestras de arseniuro de tántalo sintetizadas en Estados Unidos y modeladas teóricamente por científicos en China. Investigadores de Noruega también participaron en la interpretación de los datos​.

Este tipo de estudios demuestra que la ciencia moderna es un esfuerzo global, donde equipos de distintos países unen fuerzas para desvelar los misterios de la naturaleza. La confirmación de los tornados cuánticos es un ejemplo perfecto de cómo la teoría y la experimentación pueden trabajar juntas para revelar fenómenos que hasta hace poco parecían imposibles de demostrar​.

Cortesía de Muy Interesante

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