Los electrones moviéndose en ciertos sólidos pueden comportarse como si tuvieran miles de veces más masa que los electrones libres, pero al mismo tiempo actúan como superconductores. Eso se da debido al proceso conocido como entrelazamiento cuántico que determina la masa de electrones moviéndose en un cristal.
Un equipo de científicos encabezados por la Universidad de Princenton ha demostrado que electrones moviéndose en ciertos sólidos pueden comportarse como si fueran miles de veces más masivos que los electrones libres y actuar al mismo tiempo como veloces superconductores.
La observación de estas propiedades aparentemente contradictorias es crítica para la comprensión de como ciertos materiales se hacen superconductores y en los cuales los electrones fluyen sin resistencia. Tal tipo de materiales podría dramáticamente incrementar la eficiencia de las redes de electricidad así como incrementar la rapidez de los equipos de cómputo.
El concepto de electrón “pesado” parece ser contra intuitivo. Estas pequeñas partículas se desplazan entre los chips de silicio para procesar información rápidamente en la electrónica digital, y se mueven con facilidad en cables de cobre que llevan electricidad hacia tu casa.
Sin embargo, el equipo de Princenton ha dado a conocer que el proceso, muy difícil de medir y conocido como entrelazamiento cuántico, determina la masa de los electrones moviéndose en un cristal y que un ajuste delicado y fino de este entrelazamiento puede ocasionar alteraciones en las propiedades del material.
Al enfriar los electrones mucho menos que la temperatura ambiente en ciertos tipos de materiales sólidos, estas partículas casi voladoras ganarán masa y se comportarán como si fueran partículas más pesadas. De manera sorprendente, al enfriar los electrones muy cerca al cero absoluto, convierte estos sólidos en material semiconductor, y sin que importe su peso crean una especie de fluido perfecto que puede desplazarse sin ninguna pérdida de poder eléctrico.
En un estudio publicado por la revista Nature en junio 4, los científicos utilizaron imágenes directas de ondas de electrón en un cristal. Estas imágenes las realizaron no sólo con el propósito de observar cómo ganaban masa los electrones sino para mostrar que los electrones pesados son en realidad objetos compuestos formados de dos formas entrelazadas del electrón. Este entrelazamiento surge a partir de las reglas de la mecánica cuántica, que gobierna las partículas muy pequeñas y permite a las partículas entrelazadas comportarse de manera distinta a las no entrelazadas. Por medio de la combinación de experimentos y el modelado teórico, este estudio es el primero en demostrar como los electrones pesados surgen a partir de tal entrelazamiento.
Observaciones realizadas en los últimos 30 años indican que los electrones, en ciertos tipos de sólidos, se comportan como partículas con masas cientos o miles de veces mayores a los electrones que se mueven libremente en el vacío. Hasta hoy, sin embargo, los científicos no tenían idea de como sucedía este fenómeno y carecían de herramientas para explorar la conexión entre este proceso y la superconductividad de los electrones pesados.
El estudio publicado surge después de de muchos años de configurar y preparar las condiciones experimentales precisas requeridas para visualizar estos electrones pesados. El equipo utilizó un microscopio de diseño especial (cryogenic scanning tunneling microscope, STM) que permite la visualización de ondas de electrón en un cristal. Los investigadores utilizaron el STM para observar cristales preparados de tal manera que sus superficies tuvieran algunas imperfecciones atómicas. A medida que redujeron la temperatura en el experimento, los científicos vieron el surgimiento de patrones de ondas de electrón alrededor de los defectos mencionados de una manera muy similar a las ondas del agua que se forman alrededor de rocas en un estanque.
“Es notable ver como los electrones moviéndose en un cristal se concierten en partículas masivas a medida que se enfrían”, indicó Ali Yazdani, profesor de física en Princenton y líder del equipo.
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