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  AVANCES Y DIVULGACION  6 de febrero de 2019
Flujo de electrones controlable en alambres cuánticos

Este es un esquema de los carriles conductores esperados donde los electrones pueden fluir en los límites entre regiones con orientaciones opuestas de órbitas de electrones. Crédito: Imágenes cortesía del grupo de investigación Ali Yazdani en la Universidad de Princeton.

Los científicos han descubierto que pueden activar y desactivar el flujo de corriente en un cristal de bismuto sometido a un alto campo magnético, creando un nuevo tipo de cable cuántico controlable.

Los investigadores de Princeton han demostrado una nueva forma de hacer "cables cuánticos" controlables en presencia de un campo magnético, según un nuevo estudio publicado en Nature .

Los investigadores detectaron canales de electrones conductores que se forman entre dos estados cuánticos en la superficie de un cristal de bismuto sometido a un alto campo magnético. Estos dos estados consisten en electrones que se mueven en órbitas elípticas con diferentes orientaciones.

Para sorpresa del equipo, encontraron que el flujo de corriente en estos canales se puede activar y desactivar, lo que convierte a estos canales en un nuevo tipo de cable cuántico controlable.

"Estos canales son notables porque se forman espontáneamente en los límites entre diferentes estados cuánticos en los que los electrones alinean colectivamente sus órbitas elípticas", dijo Ali Yazdani, profesor de Física de 1909 y director del Centro de Materiales Complejos de Princeton, quien dirigió el investigación. "Es emocionante ver cómo la interacción entre los electrones en los canales dicta con fuerza si pueden conducir o no".

Los investigadores utilizaron un microscopio de exploración de túneles, un dispositivo capaz de captar imágenes de átomos individuales y cartografiar el movimiento de los electrones en la superficie de un material, para visualizar los comportamientos de los electrones en la superficie de un cristal hecho de bismuto puro.

Con este instrumento, el equipo fotografió directamente los movimientos de los electrones en presencia de un campo magnético miles de veces más grande que el de un imán de refrigerador. La aplicación del gran campo magnético obliga a los electrones a moverse en órbitas elípticas, en lugar del flujo de electrones más típico paralelo a la dirección de un campo eléctrico.

El equipo descubrió que los canales conductores se forman en el límite, al que llaman pared de dominio polarizado en el valle, entre dos regiones en el cristal donde las órbitas de los electrones cambian bruscamente de orientación.

Mallika Randeria, una estudiante graduada en el Departamento de Física, quien llevó a cabo los experimentos, dijo: "Encontramos que hay canales de dos y cuatro carriles en los que los electrones pueden fluir, dependiendo del valor preciso del campo magnético. . " Ella y sus colegas observaron que cuando los electrones se sintonizan para moverse en un canal de cuatro carriles, se atascan, pero pueden fluir sin impedimentos cuando se limitan a un canal de solo dos carriles.

Al tratar de comprender este comportamiento, los investigadores descubrieron nuevas reglas mediante las cuales las leyes de la mecánica cuántica dictan la repulsión entre los electrones en estos cables cuánticos multicanales. Si bien el mayor número de carriles parece sugerir una mejor conductividad, la repulsión entre los electrones hace que, de manera contraintencionada, hagan que cambien de carril, cambien de dirección y se atasquen, lo que da como resultado un comportamiento de aislamiento. Con menos canales, los electrones no tienen la opción de cambiar de carril y deben transmitir la corriente eléctrica incluso si tienen que moverse entre sí, un fenómeno cuántico solo posible en dichos canales unidimensionales.

La conducción protegida similar ocurre a lo largo de los límites de los llamados estados topológicos de la materia, que fueron objeto del Premio Nobel 2016 otorgado a F. Duncan Haldane, de Princeton, el profesor de Física de la Universidad de Sherman Fairchild. La explicación teórica del nuevo hallazgo se basa en el trabajo anterior llevado a cabo por dos miembros del equipo, Siddharth Parameswaran, quien en ese momento era un estudiante graduado en Princeton y ahora es profesor asociado de física en la Universidad de Oxford, y Shivaji Sondhi de Princeton, profesor de Física, y colaboradores.

"Aunque algunas de las ideas teóricas que utilizamos han existido por un tiempo, todavía es un desafío ver cómo encajan para explicar un experimento real, y una emoción real cuando eso sucede", dijo Parameswaran. "Este es un ejemplo perfecto de cómo funcionan el experimento y la teoría en conjunto: sin los nuevos datos experimentales nunca habríamos revisado nuestra teoría, y sin la nueva teoría hubiera sido difícil entender los experimentos".

La investigación fue financiada por la Fundación Gordon y Betty Moore, la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Fundación del Reino Unido y la Fundación Nacional de la Ciencia.

 

 

 

 

Fuente: Universidad de Princeton, Fecha:6 de febrero de 2019



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