Observación potencial de una cuasipartícula de tipo Higgs axial en telururos de tierras raras

Por Francisco R. Villatoro, el 11 junio, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 3

Quizás has leído que se ha publicado en Nature el descubrimiento de una nueva partícula de tipo Higgs que podría explicar la materia oscura y que podría ser útil en computación cuántica robusta. No te creas estos titulares, pues son falsos. En los telururos de tierras raras RTe3, con R = La (lantano) o Gd (gadolinio), hay planos (ejes a y b) de átomos de telurio ligados por orbitales perpendiculares px y py, que propagan ondas de densidad de carga (CDW) en la dirección del eje b. Estas ondas presentan una simetría global de traslación que se rompe en las transiciones electrónicas simétricas entre las bandas px → px, y py → py, con momento lineal qCDW = 2/7 b; esta simetría global rota da lugar a cuasipartículas llamadas modos en amplitud (o tipo Higgs) escalares (o tipo s). Pero también se puede romper en las transiciones antisimétricas entre bandas mixtas px → py, y py → px, con momento b − qCDW; como la transición entre bandas px y py requiere un cambio de momento angular, estos modos no son escalares sino vectoriales, siendo llamados modos de Higgs axiales. Pero que estos nombres no te engañen, estos modos (transiciones electrónicas entre bandas) no tienen nada que ver con el bosón de Higgs en física de partículas cuyo origen es la rotura de una simetría gauge local.

Todo artículo publicado en Nature genera notas de prensa de puro bombo mediático (hype), de las que muchos medios se hacen eco con titulares que desvirtúan el hito científico logrado. Para observar los modos en amplitud se ha usado la espectroscopia Raman dependiente de la polarización para el RTe3 a temperatura ambiente, gracias a que las CDW tienen una temperatura crítica de 380 K para R=Gd, y superior a 600 K para R=La. Para obtener el espectro Raman se ha usado luz láser a 532 nm y a 488 nm, tanto para el GdTe3 como para el LaTe3. El tensor Raman asociado a la polarización se puede descomponer en una parte simétrica y en una parte antisimétrica asociadas a la superposición (interferencia) cuántica entre las transiciones simétricas y antisimétricas, respectivamente. El modo tipo Higgs se observa en la parte antisimétrica del tensor de Raman. Cuando se rota el material, el espectro Raman dependiente del ángulo cambia mostrando una simetría cuádruple (four-fold) para las transiciones simétricas y una doble (two-fold) para las transiciones antisimétricas asociadas al modo tipo Higgs axial. Que esta simetría doble no cambie con la temperatura (se ha estudiado el material a 8, 140 y 300 K) se considera una confirmación de su observación.

Algunos titulares destacan que el modo tipo Higgs axial es un avance en el campo de la computación cuántica. Lo dudo mucho, pues no se trata de modos topológicos (como los modos de Majorana). Lo que afirman los autores en su artículo es que la técnica de interferencia cuántica con espectroscopia Raman a temperatura ambiente podría ser útil para medir propiedades cuánticas de ciertos materiales que en un futuro podrían tener aplicaciones en computación cuántica. Como siempre, los propios autores siempre tienen algo de culpa en los titulares sensacionalistas. El artículo es Yiping Wang, Ioannis Petrides, …, Kenneth S. Burch, «Axial Higgs mode detected by quantum pathway interference in RTe3,» Nature (08 Jun 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04746-6; arXiv:2112.02454 [physics.optics] (05 Dec 2021), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.02454. Han llamado mi atención titulares como Robert Lea, «Physicists discover never-before seen particle sitting on a tabletop. This newly-discovered particle could account for dark matter,» Live Science, 08 Jun 2022; «Elusive particle discovered in a material through tabletop experiment. Materials that contain the axial Higgs mode could serve as quantum sensors to evaluate other quantum systems and help answer persistent questions in particle physics,» EurekAlert!, 08 Jun 2022; John Russell, «Newly-Observed Higgs Mode Holds Promise in Quantum Computing,» HPC Wire, 08 Jun 2022; entre otros.

[PS 12 jun 2022] Otras críticas a la difusión en medios de este artículo son Peter Woit, «Physicists Discover Never-Before Seen Particle Sitting On a Tabletop,» Not Even Wrong, 09 Jun 2022; Matt Strassler, «News Flash: Has a New Axial Higgs Boson (Possibly Dark Matter) Been Discovered?» Of Particular Significance, 11 Jun 2022; entre otros. [/PS]

En la espectroscopia Raman dependiente de la polarización se usan fotones incidentes polarizados. Para las transiciones simétricas se usan fotones polarizados en dirección x para estudiar transiciones entre las bandas del nivel px produciendo un fotón también polarizado en dirección x que es observado; lo mismo para la polarización en la dirección y para los niveles py; en estos casos el tensor de Raman obtenido es simétrico (Rij = Rji). En las transiciones ansitimétricas un fotón polarizado en la dirección x provoca la transición del nivel px al nivel py produciendo un fotón polarizado en dirección y, y lo mismo a la inversa, resultando un tensor de Raman antisimétrico (Rij = −Rji). Si llamamos a las componentes 2×2 del tensor de Raman antisimétrico R11 = e, R12 = −R12 = d, y R22 = f, se observa una interferencia cuántica constructiva a |(ef)+2d|² y una interferencia cuántica destructiva a |(ef)−2d|². Esta última es la señal esperada para los modos de Higgs axiales.

La espectroscopia Raman resuelta en ángulo permite observar las simetrías cuádruple (izquierda) y doble (derecha) de los modos observados. La simetría doble (derecha) corresponde al modo de tipo Higgs axial (a 5.6 meV), siendo diferente de la simetría cuádruple (izquierda) esperada para los modos fonónicos. El modo de Higgs axial se ha observado tanto para GdTe3 como para LaTe3, con luz láser a 532 nm y a 488 nm, y a temperaturas de 8 K, 140 K y 300 K (los interesados pueden consultar la información suplementaria del artículo para ver múltiples figuras de diferentes casos).

El espectro Raman del GdTe3 a 300 K (aquí arriba a la izquierda y en la figura que abre esta pieza a la derecha) se puede descomponer en la superposición de una serie de 15 picos (modos). A una temperatura de 300 K el pico más ancho se encuentra a 5.6 meV (45 /cm) y está asociado al modo de Higgs axial de la CDW; este pico desaparece al superar la temperatura crítica TCDW = 380 K. La simetría doble no aparece solo en el modo CDW a 5.6 meV, sino también en los modos fonónicos asociados a los picos a 7.4 meV y a 10.7 meV; según los autores, los modelos teóricos predicen que estos modos están acoplados (mezclados) con el modo de Higgs axial, de ahí su simetría doble. Los restantes picos a 7.9, 9.3, 9.9, 11.5, 12.8, 14.5, 15.9, 16.1 y 17.6 meV muestran simetría cuádruple, como corresponde a los modos fonónicos (solo dos de ellos, a 7.9 y 11.5, se mantienen por encima de TCDW). Por cierto, hay un posible pico a 8.4 meV, pero se ha descartado porque es poco visible en el espectro. Y además, hay dos picos que son dobles, estando asociados a una matriz de Raman diagonal (Ag) y contradiagonal (Bg); en concreto, el pico a 7.9 asociado a los modos 3 (Bg) y 4 (Ag) y el pico a 9.9 meV asociado a los modos 7 (Bg) y 8 (Ag). Esta figura de la información suplementaria ilustra todos estos picos.

En resumen, se ha observado una cuasipartícula de tipo Higgs axial a temperatura ambiente en una material que propaga ondas de densidad de carga (CDW). Desde que se predijo la existencia de las CDW en 1958 múltiples grupos han observado cuasipartículas de tipo Higgs escalar, sin embargo, esta es la primera vez que se observa una de tipo Higgs axial. Como siempre, futuros estudios tendrán que confirmar de forma independiente este observación. Hasta entonces se ha logrado un hito en ciencia de materiales, pero sin implicaciones en física de partículas; ni se ha avanzado en la búsqueda de la partícula responsable de la materia oscura, ni se ha avanzado en la búsqueda de cuasipartículas topológicas que permitan una futura computación cuántica robusta. A pesar de muchos titulares que así lo afirman.



3 Comentarios

    1. Mariana, estos ordenadores cuánticos solo implementan un algoritmo, el muestreo de bosones (boson sampling); en el artículo en Nature demuestran la ventaja cuántica (antes llamada supremacía cuántica) usando un muestro gaussiano de bosones (un caso particular). Incluso con un millón de cúbits este tipo de ordenadores cuánticos son inútiles para la mayoría de las aplicaciones que tienes en mente cuando piensas en un ordenador cuántico.

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