Los científicos han descubierto una nueva forma en que puede existir la materia, una que es diferente de los estados habituales de sólido, líquido, gas o plasma, en la interfaz de dos materiales exóticos, convertidos en un sándwich.
El nuevo estado cuántico, llamado cristal de líquido cuántico, parece seguir sus propias reglas y ofrece características que podrían allanar el camino para aplicaciones tecnológicas avanzadas, dijeron los científicos.
Informes en el diario Avances científicosun equipo de investigadores liderados por Rutgers describió un experimento que se centró en la interacción entre un material conductor llamado Weyl Semimetal y un material magnético aislante conocido como hielo giratorio cuando ambos están sujetos a un campo magnético extremadamente alto. Ambos materiales individualmente son conocidos por sus propiedades únicas y complejas.
«Aunque cada material ha sido ampliamente estudiado, su interacción en este límite se ha mantenido completamente inexplorada», dijo Tsung-Chi Wu, quien obtuvo su doctorado en junio del Programa de Graduados de Rutgers en Física y Astronomía y es el primer autor del estudio. «Observamos nuevas fases cuánticas que emergen solo cuando estos dos materiales interactúan. Esto crea un nuevo estado topológico cuántico de la materia en campos magnéticos altos, que anteriormente se desconocía».
El equipo descubrió que en la interfaz de estos dos materiales, las propiedades electrónicas del semimetal de Weyl están influenciadas por las propiedades magnéticas del hielo giratorio. Esta interacción conduce a un fenómeno muy raro llamado «anisotropía electrónica» donde el material lleva a cabo electricidad de manera diferente en diferentes direcciones. Dentro de un círculo de 360 grados, la conductividad es más baja en seis direcciones específicas, descubrieron. Sorprendentemente, cuando aumenta el campo magnético, los electrones de repente comienzan a fluir en dos direcciones opuestas.
Este descubrimiento es consistente con una característica observada en el fenómeno cuántico conocido como ruptura de simetría rotacional e indica la aparición de una nueva fase cuántica en campos magnéticos altos.
Los hallazgos son significativos porque revelan nuevas formas en que las propiedades de los materiales pueden controlarse y manipularse, dijo Wu. Al comprender cómo se mueven los electrones en estos materiales especiales, los científicos podrían diseñar nuevas generaciones de sensores cuánticos ultra sensibles de campos magnéticos que funcionan mejor en condiciones extremas, como el espacio o las máquinas potentes.
Los semimetales de Weyl son materiales que permiten que la electricidad fluya de maneras inusuales con una pérdida de energía muy alta y cero debido a cuasipartículas relativistas especiales llamadas fermiones de weyl. El hielo giratorio, por otro lado, son materiales magnéticos donde los momentos magnéticos (pequeños campos magnéticos dentro del material) están dispuestos de una manera que se asemeja a las posiciones de los átomos de hidrógeno en hielo. Cuando se combinan estos dos materiales, crean una heteroestructura, compuesta de capas atómicas de materiales diferentes.
Los científicos han descubierto que los nuevos estados de materia aparecen en condiciones extremas, incluidas temperaturas muy bajas, altas presiones o altos campos magnéticos, y se comportan de manera extraña y fascinante. Según Wu, experimentos como el liderado por Rutgers pueden conducir a una nueva comprensión fundamental de la materia más allá de los cuatro estados de materia naturales, según Wu.
«Este es solo el comienzo», dijo Wu. «Existen múltiples posibilidades para explorar nuevos materiales cuánticos y sus interacciones cuando se combinan en una heteroestructura. Esperamos que nuestro trabajo también inspire a la comunidad física a explorar estas nuevas y emocionantes fronteras».
La investigación se realizó utilizando una combinación de técnicas experimentales, dirigida por el investigador principal del proyecto, Jak Chakhalian, el Claud Lovelace dotó al profesor de física experimental en el Departamento de Física y Astronomía y coautor del estudio. El trabajo fue respaldado teóricamente por Jedediah Pixley, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía, también coautor del estudio.
«La colaboración de la teoría experimental es lo que realmente hace posible el trabajo», dijo Wu. «Nos llevó más de dos años comprender los resultados experimentales. El crédito se destina al modelado y cálculos teóricos de vanguardia realizados por el grupo Pixley, particularmente Jed Pixley y Yueqing Chang, un investigador postdoctoral. Continuamos nuestra colaboración para empujar la frontera del campo como un equipo de Rutgers».
La mayoría de los experimentos se realizaron en el Laboratorio Nacional de Campo Magnético (Maglab) en Tallahassee, Florida, que proporcionó las condiciones únicas para estudiar estos materiales a temperaturas ultra bajas y campos magnéticos altos.
«Tuvimos que iniciar la colaboración y viajar al Maglab varias veces para realizar estos experimentos, cada vez que refinan ideas y métodos», dijo Wu. «Las temperaturas ultra bajas y los campos magnéticos altos fueron cruciales para observar estos nuevos fenómenos».
La investigación se basa en una investigación previa dirigida por Rutgers publicada a principios de este año por Chakhalian, Mikhail Kareev, Wu y otros físicos. El informe describió cómo cuatro años de experimentación continua condujeron a un método novedoso para diseñar y construir una estructura única, pequeña y gruesa de átomos compuesta de un hielo semimetal y giratorio de Weyl. La heteroestructura cuántica era tan difícil de crear que los científicos desarrollaron una máquina para hacerlo: la DIP Q, abreviatura de la plataforma de descubrimiento de fenómenos cuánticos.
«En ese artículo, describimos cómo hicimos la heteroestructura», dijo Chakhalian. «Lo nuevo Avances científicos El papel se trata de lo que puede hacer «.
Además de Chakhalian, Wu, Chang y Pixley, los investigadores de Rutgers en el estudio incluyeron a Ang-Kun Wu, Michael Terilli, Fangdi Wen y Mikhail Kareev.
