Un equipo internacional de físicos ha logrado medir por primera vez la geometría cuántica de electrones distribuidos en una superficie sólida. Este trabajo, publicado en Nature Physics, ha sido posible gracias a la implementación de un método innovador para obtener información espacial de las partículas subatómicas. Según los autores, esta técnica “abre nuevas vías para comprender y manipular las propiedades cuánticas de los materiales”.
¿Qué es la geometría cuántica?
La teoría cuántica recibe ese nombre porque describe las propiedades físicas fundamentales de la realidad a través de unidades discretas llamadas “cuantos” en lugar de pensarlas como infinitamente divisibles y continuas. Algunas de estas propiedades son la energía, la radiación, el momento angular, y la materia misma. La geometría cuántica describe el propio espacio como cuantizado o “granulado” y no como un lugar continuo infinitamente divisible.
Además, según la teoría cuántica, las partículas fundamentales como electrones o fotones no tienen una forma estática definida. Aunque en materiales escolares las partículas aún se ilustran como “pelotas” orbitando un núcleo o desplazándose a través de un medio, en realidad la mejor manera de pensarlas es como funciones de onda que describen la probabilidad de encontrarlas en una posición o estado determinado. Por lo tanto, la forma de un electrón no puede describirse como una forma clásica de líneas continuas en el espacio, sino como un cálculo probabilístico del movimiento de un electrón en el espacio cuántico.
Comprender la forma cuántica de las partículas elementales, especialmente de los electrones, ayudará a los físicos a predecir cómo actuarán en diferentes materiales, bajo diversas condiciones como la temperatura o la simetría. Hasta ahora, la física se ha limitado a medir la energía de las partículas subatómicas y la velocidad a la que se mueven.
A medida que la ciencia avanza en el desarrollo de materiales cuánticos (como el grafeno) y trata de aprovechar sus exóticas propiedades, como la superconductividad, se vuelve esencial determinar la geometría cuántica de una función de onda.
Encontrar la geometría de lo subatómico
Para comprender la geometría cuántica de los electrones, un equipo de 18 físicos trabajó con un metal Kagome utilizando la técnica de espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES). Los materiales Kagome, cuya estructura atómica se organiza en una red con un diseño que recuerda un patrón tradicional japonés de tejido, pertenecen a la categoría de materiales cuánticos y fueron descubiertos en 2011. Su principal característica es que presentan una red cristalina en forma de triángulos y hexágonos entrelazados.
El método ARPES utiliza fotones para excitar electrones de un material y medir sus propiedades cuánticas, condensadas en una figura matemática llamada tensor geométrico cuántico. Para visualizar este concepto, los físicos suelen usar la metáfora de una red tridimensional de puntos en forma de malla o una piscina de pelotas. El tensor geométrico cuántico describe cómo se deforma y curva la malla o la piscina debido a las propiedades cuánticas de las partículas. El experimento logró la primera medición de un tensor geométrico cuántico en un material sólido.
Según una nueva teoría, la posible explicación podría estar vinculada a la existencia del multiverso.
El avance ha entusiasmado a los físicos, pues señalan que es posible utilizar ARPES para medir la geometría cuántica de los electrones en cualquier tipo de material cuántico. Este tipo de recursos desarrollados en la última década es de gran interés para campos como la computación cuántica, la electrónica y la búsqueda de materiales superconductores que puedan conducir electricidad sin resistencia.