Materiales cuánticos: espín electrónico medido por primera vez

Jan 28, 2024

9 de junio de 2023

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por la Universidad de Bolonia

Un equipo de investigación internacional logró por primera vez medir el espín de los electrones en la materia, es decir, la curvatura del espacio en el que viven y se mueven los electrones, dentro de los "materiales kagome", una nueva clase de materiales cuánticos.

Los resultados obtenidos, publicados en Nature Physics, podrían revolucionar la forma en que se estudian los materiales cuánticos en el futuro, abriendo la puerta a nuevos desarrollos en tecnologías cuánticas, con posibles aplicaciones en una variedad de campos tecnológicos, desde energías renovables hasta biomedicina, desde electrónica hasta computadoras cuánticas.

El éxito se logró gracias a una colaboración internacional de científicos, en la que participó Domenico Di Sante, profesor del Departamento de Física y Astronomía "Augusto Righi", de la Universidad de Bolonia como parte de su proyecto de investigación Marie Curie BITMAP. A él se unieron colegas del CNR-IOM Trieste, la Universidad Ca' Foscari de Venecia, la Universidad de Milán, la Universidad de Würzburg (Alemania), la Universidad de St. Andrews (Reino Unido), el Boston College y la Universidad de Santa Bárbara (EE. UU.).

A través de técnicas experimentales avanzadas, usando la luz generada por un acelerador de partículas, el Sincrotrón, y gracias a técnicas modernas para modelar el comportamiento de la materia, los académicos pudieron medir por primera vez el espín de los electrones, relacionado con el concepto de topología.

"Si tomamos dos objetos como una pelota de fútbol y una dona, notamos que sus formas específicas determinan diferentes propiedades topológicas, por ejemplo, porque la dona tiene un agujero, mientras que la pelota de fútbol no", explica Domenico Di Sante. “Del mismo modo, el comportamiento de los electrones en los materiales está influenciado por ciertas propiedades cuánticas que determinan su giro en la materia en la que se encuentran, de forma similar a como la trayectoria de la luz en el universo se ve modificada por la presencia de estrellas, agujeros negros, oscuridad. la materia y la energía oscura, que doblan el tiempo y el espacio".

Aunque esta característica de los electrones se conoce desde hace muchos años, nadie hasta ahora había podido medir directamente este "giro topológico". Para lograr esto, los investigadores explotaron un efecto particular conocido como "dicroísmo circular": una técnica experimental especial que solo puede usarse con una fuente de sincrotrón, que explota la capacidad de los materiales para absorber la luz de manera diferente según su polarización.

Los académicos se han centrado especialmente en los "materiales kagome", una clase de materiales cuánticos que deben su nombre a su parecido con el tejido de hilos de bambú entretejidos que forman una canasta japonesa tradicional (llamada, de hecho, "kagome"). Estos materiales están revolucionando la física cuántica y los resultados obtenidos podrían ayudarnos a conocer mejor sus especiales propiedades magnéticas, topológicas y superconductoras.

"Estos importantes resultados fueron posibles gracias a una fuerte sinergia entre la práctica experimental y el análisis teórico", añade Di Sante. "Los investigadores teóricos del equipo emplearon simulaciones cuánticas sofisticadas, solo posibles con el uso de supercomputadoras poderosas, y de esta manera guiaron a sus colegas experimentales al área específica del material donde se podía medir el efecto de dicroísmo circular".

Más información: Domenico Di Sante et al, Separación de banda plana y curvatura robusta de Spin Berry en metales bicapa kagome, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z

Información del diario:Física de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Bolonia