La descuantización de la carga permite observar los instantones de Korshunov

Por Francisco R. Villatoro, el 16 agosto, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 3

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La carga eléctrica de los átomos está cuantizada en unidades de la carga del electrón. En 1909 lo demostró Robert Millikan con su famoso experimento de la gota de aceite. La física cuántica predice que la cuantización de carga se puede destruir mediante fluctuaciones cuánticas (descuantización). Lo demuestra un experimento con un nanodispositivo que controla estas fluctuaciones y observa en detalle cómo se produce la descuantización de la carga almacenada. Se puede interpretar el resultado como la primera observación de los instantones de Korshunov.

En lugar de una gota de aceite de Millikan, el nuevo experimento usa una nanoestructura, una isla metálica conductora que almacena una unidad de carga eléctrica. La isla está en contacto con un baño térmico a 17 mK que induce fluctuaciones cuánticas. La cuantización de la carga se observa gracias a las llamadas oscilaciones de Coulomb en la nanoestructura. Las fluctuaciones cuánticas reducen la amplitud de estas oscilaciones de Coulomb de forma gradual hasta llegar a cero, lo que implica que la cuantización de la carga disminuye hasta llegar a cero.

El artículo es S. Jezouin, Z. Iftikhar, …, F. Pierre, “Controlling charge quantization with quantum fluctuations,” Nature 536: 58–62 (04 Aug 2016), doi: 10.1038/nature19072. Más información en Yuli V. Nazarov, “Quantum physics: Destruction of discrete charge,” Nature 536: 38–39 (04 Aug 2016), doi: 10.1038/536038a.

Dibujo20160804 Tunable quantum connection to a metallic island nature19072-f1

La relación de indeterminación de Heisenberg entre posición y momento lineal nos dice que una medida precisa de la posición requiere una medida muy imprecisa del momento lineal debido a fluctuaciones cuánticas imposibles de evitar. De la misma manera están conectados la carga eléctrica y el flujo magnético en nanoestructuras superconductoras. Si las fluctuaciones cuánticas incrementan la incertidumbre en la cuantización de la carga eléctrica, la reducen en la cuantización del flujo magnético.

En un metal, que no esté en un estado superconductor, el flujo de carga es continuo, no está cuantizado. Sin embargo, hay una excepción. En 1987, el físico Sergey Korshunov descubrió que unas soluciones matemáticas de tipo solitón llamadas instantones podían cuantizar el flujo de carga en un metal. Los instantones pueden transferir dos cuantos de flujo entre sendos estados de flujo no cuantizados. Estos dos cuantos de flujo se comportan como un levitón, una cuasipartícula que fue observada en el año 2013 (LCMF; LCMF). Los levitones son excitaciones de los electrones en el metal cuyo estado fundamental, su vacío sin levitones, es un sistema de instantones de Korshunov. Para observar estos instantones (y confirmar su existencia, aunque no se observen de forma individual) se puede usar la cuantización de la carga vía las oscilaciones de Coulomb (Vds versus Vsw).

Dibujo20160816 Tunable quantum connection to a metallic island nature com

El experimento usa un transistor de electrón único (SET) tipo híbrido metal-semiconductor; en concreto, una isla metálica de una aleación AuGeNi. La isla se rodea de un baño térmico (Q) que será responsable de las fluctuaciones cuánticas. A una temperatura de T ≈ 17 mK, el baño está implementado con un gas de electrones bidimensional de alta movilidad de Ga(Al)As (con una profundidad de 105 nm).

El sistema se somete a un campo magnético transversal de gran intensidad, B ≈ 4 T, que produce un efecto Hall cuántico entero con factor de llenado ν = 2. En este régimen, la cuantización de la carga se observa en la isla central gracias a las oscilaciones periódicas en el SET. Para controlarlas sin perturbar la isla hay que usar el efecto túnel cuántico, por ello se usan como electrodos dos contactos tipo túnel, τR y τL (a la derecha y a la izquierda en la figura). La conductancia en la nanoestructura sigue un comportamiento oscilatorio (véase en la figura abajo-izquierda para Vds respecto a Vsw), las oscilaciones de Coulomb. La teoría de Korshunov predice la ley de escala para estas oscilaciones en función de los instantones en el estado fundamental del sistema.

Dibujo20160816 coulomb oscillations in metallic island nature com

Esta figura muestra las oscilaciones de Coulomb para τL = 0,24 variando τR = 0,1, 0,6, 0,88, 0,98 y 1,5. Entre τR = 0,1 y τR = 0,6  se observan que las oscilaciones crecen, para decrecer entre τR = 0,6 y τR = 0,98. Para τR > 1, las oscilaciones desaparecen por completo.

Dibujo20160804 Charge quantization versus connection strength nature19072-f2

Esta figura muestra la cuantización de la carga ΔQ en función de τR a la temperatura T ≈ 17 mK, para diferentes valores de τL < 1. Para τR ≲ 0,6 se observa la cuantización en un valor casi constante para ΔQ. Para valores mayores de τR < 1, dicha cuantización se va reduciendo de forma gradual, hasta alcanzar cero para τR ≥ 1. Esta curva se puede modelar de forma teórica usando instantones de Korshunov.

En resumen, se han observado efectos no perturbativos (instantones) en un gas de electrones en interacción fuerte. La observación de muchos instantones de Korshunov es el primer paso para su observación individual. Cuando se logre en un futuro no muy lejano podremos pensar en desarrollar mecanismos para su control y uso en aplicaciones prácticas. En especial, las cuasipartículas de electrones de carga fraccionaria (no cuantizada) se comportan como aniones, que en teoría permiten realizar computación cuántica topológica, mucho más robusta que la convencional.



3 Comentarios

  1. Tu dices: “que en teoría permiten realizar computación cuántica topológica, mucho más robusta que la convencional”.

    Pero en otras notas dices que no es escalable el entrelazamiento ni la superposición, por lo tanto no tendremos nunca computadoras cuanticas de 100 o 1000 qubits?

  2. Es alucinante hasta que punto se hila fino en la cuántica. Gracias por compartir este mundo alucinante y tan desconocido.

    Se te ha colado una B en “mobilidad”.

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