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» » Nueva cuasipartícula, el ‘Leviton’ avistada por los físicos

Referencia: Physics.World.com .
por Hamish Johnston, 24 de octubre 2013

Un nuevo tipo de cuasipartícula, apodada "leviton", ha sido vista por unos físicos de Francia y Suiza. Fue predicha por vez primera en 1996 por un equipo dirigido por Leonid Levitov, y el fenómeno consiste en la excitación de tan sólo un electrón que crea una onda que se propaga de forma coherente a través de un metal. La capacidad de crear levitones a demanda podría llevar a la creación de circuitos de electrónica cuántica que impliquen el envío de electrones individuales a través de circuitos diminutos .

Los electrones de un metal o semiconductor pueden ser considerados como un "mar de Fermi" de partículas, con los electrones de alta energía en la superficie. Normalmente, si un electrón recibe un toque extra de energía explota en unl ‘mar de Fermi’, creando un "agujero", que es en sí mismo la cuasipartícula. Sin embargo, en circunstancias especiales, un electrón (o unos pocos electrones ) puede surgir en el mar Fermi sin crear un agujero, como una ola surge en el océano. Esta excitación se podría propagar a través del material como una diminuta partícula que obedece a las reglas de la mecánica cuántica, una cuasipartícula .

Buscando, buscando

Este tipo de excitación fue sugerido por primera vez por Levitov y sus colegas, y de inmediato inspiró otro físico, Christian Glättli, que ha estado, desde entonces, tratando de diseñar experimentos para crear levitones. Trabajando en CEA Saclay, cerca de París, el equipo de Glättli, junto con los físicos de la Universidad Diderot de Paris y el ETH de Zürich, ha logrado crear levitones y confirmar su existencia utilizando diversas  técnicas.

Sus experimentos se llevaron a cabo con una película de metal tan delgada que sus electrones se comportaban como un gas 2D. Los levitones se crean en un extremo del dispositivo usando un electrodo que aplica un impulso eléctrico de una forma temporal específica, la conocida distribución de Lorentz. Los levitones entonces, viajan a través de un contacto de punto cuántico (QPC) que se crea en un espacio estrecho entre dos electrodos, que están a mitad de camino a lo largo del dispositivo (ver figura). Cuando se aplica un voltaje apropiado a estos electrodos, el espacio se convierte en un canal 1D para los electrones. Después de negociar el QPC, la carga transportada por los levitones se detecta usando un cuarto electrodo en el extremo más alejado del dispositivo .

Escuchando el ruido

Si bien la llegada de un pulso de electrones se puede medir con el cuarto electrodo, los investigadores no pueden decir si fue transportado por un leviton o a través de una vía más convencional de la excitación hueco-electrón. Así que, para confirmar que se creaban levitones, el equipo utilizó una técnica llamada espectroscopia de ruido, que consiste en enfriar el dispositivo a un frío de 35 mK (miliKelvin) y medir el ruido electrónico de la muestra .

La teoría dice que debería haber más ruido en la muestra cuando hay excitaciones hueco-electrón que cuando están presentes los levitones. El equipo midió el ruido cuando los pulsos lorentzianos se aplicaban al dispositivo. Las mediciones también se hicieron utilizando pulsos sinusoidales y cuadrados, debido a que estos son más propensos a producir excitaciones hueco-electrón, en lugar de levitones. En efecto, hubo significativamente menos ruido cuando se utilizaron los pulsos lorentzianos, en comparación con los pulsos cuadrados y sinusoidales.

Anti-agrupamiento electrónico

Para confirmar aún más, que los levitones son de hecho cuasipartículas que obedecen las reglas de la mecánica cuántica, el equipo hizo un "experimento Hong-Ou-Mandel", mediante el cual dos levitones eran disparados al mismo tiempo en un divisor de haz, desde extremos opuestos del dispositivo. Dado que los levitones obedecen a la estadística de Fermi-Dirac, por las acciones QPC en el divisor de haz, los dos levitons siempre seguirán diferentes caminos a través del divisor de haz. Este es un efecto de la mecánica cuántica llamado +anti-agrupamiento.

Una vez más, Glättli y sus colegas utilizaron la espectroscopia de ruido para buscar la evidencia de tal anti-agrupamiento. Resulta que cuando se produce el anti-agrupamiento, el ruido asociado con los levitones debería desaparecer. El equipo confirmó esto mediante ajustando el tiempo de retardo entre los levitones que alcanzan el divisor de haz y la medición del ruido. A medida que el tiempo de retardo se fue acercando al cero, sucedía el anti-agrupamiento y el ruido se reducía significativamente, tal como se esperaba para los levitones .

De acuerdo con Glättli, los levitones tienen la misma masa efectiva de electrones e interactúan con los campos electromagnéticos de la misma manera. Como resultado, la fuente de leviton podía imaginarse como una fuente de electrones individuales que opera a demanda, en lugar de emitir electrones en momentos aleatorios. Estas fuentes han demostrado ser difíciles de construir y podrían tener importantes aplicaciones en computación y metrología cuántica, ya que utilizan electrones individuales de la misma forma que los sistemas de óptica cuántica usan los fotones individuales .

"Un paso significativo hacia delante"

J.T. Janssen, que desarrolla técnicas de metrología cuántica en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL), describió este trabajo como "un importante paso adelante". Y destaca el hecho de que Glättli y sus colegas fueron capaces de demostrar que los levitones se mantenían coherentes a una distancia tan grande como 100 μm, algo muy importante para las aplicaciones prácticas .

Leonid Levitov dijo a physicsworld.com que el trabajo de Glättli es "completo y convincente", y agregó que la técnica de detección es similar al descrito por Levitov y sus colegas en un artículo publicado en 2006. Levitov, que trabaja en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, señaló que está orgulloso del trabajo que hizo en la década de 1990, y se congratula de que se haya confirmado en el laboratorio. "En cuanto al chistoso nombre, creo que está bien, siempre y cuando ayude a transmitir el mensaje, y es probable que lo haga."

En cuanto a Glättli, está trabajando actualmente con un grupo que se especializa en la creación de gases atómicos fermiónicos y ultrafríos, para ver si los levitones se pueden crear en este tipo de sistemas.

La investigación se describe en el journal Nature .


- Imagen: Levitones vistos usando el contacto de punto cuántico. Esquema del dispositivo usado para crear y detectar levitones. Lqs cuasipartículas se muestran como picos en la parte inferior del dispositivo y viajan a la parte superior, pasando por el contacto de punto cuántico hecho por los electrodos puntiagudos de color amarillo. Cortesía J Dubois et al. Nature 10.1038/nature12713 .
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