Un equipo de físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha logrado, por primera vez, medir la geometría de los electrones en sólidos a nivel cuántico. Hasta ahora, los científicos habían podido medir las energías y velocidades de los electrones en materiales cristalinos, pero la geometría cuántica de estos sistemas solo podía ser inferida teóricamente o, en ocasiones, no se podía determinar en absoluto. Este avance, publicado en la revista Nature Physics, abre nuevas posibilidades para comprender y manipular las propiedades cuánticas de los materiales, según afirma Riccardo Comin, profesor de física en el MIT y líder del proyecto.
Comin explica que han desarrollado un esquema para obtener información completamente nueva que no se había podido obtener hasta ahora. La investigación tiene el potencial de aplicarse a cualquier tipo de material cuántico, no solo al que se utilizó en este estudio. Mingu Kang, el autor principal del artículo y becario postdoctoral en el Laboratorio de Física Atómica y de Estado Sólido de Cornell, menciona que su trabajo se realizó durante su etapa como estudiante de doctorado en el MIT.
La complejidad del mundo cuántico
En el extraño mundo de la física cuántica, un electrón puede ser descrito tanto como un punto en el espacio como una forma de onda. En el centro de este trabajo se encuentra un objeto fundamental conocido como función de onda, que describe esta última. Comin compara esta función con una superficie en un espacio tridimensional. Existen diferentes tipos de funciones de onda, desde las simples hasta las complejas. Un ejemplo sencillo sería una pelota, que representa una función de onda trivial, mientras que una cinta de Möbius, explorada en las obras de M.C. Escher, ejemplifica una función de onda compleja.
A pesar de la importancia de la geometría cuántica de las funciones de onda en la física actual, hasta ahora solo se había podido inferir teóricamente. Esta propiedad se vuelve cada vez más relevante a medida que los físicos encuentran más materiales cuánticos con aplicaciones potenciales en computadoras cuánticas y dispositivos electrónicos y magnéticos avanzados.
El equipo del MIT abordó este problema utilizando una técnica conocida como espectroscopía de fotoemisión angulada (ARPES). Comin, Kang y algunos de sus colegas ya habían utilizado esta técnica en investigaciones anteriores, como el descubrimiento de las propiedades exóticas de un nuevo material cuántico conocido como metal kagomé, un trabajo que también fue publicado en Nature Physics.
En esta nueva investigación, el equipo adaptó la técnica ARPES para medir la geometría cuántica del metal kagomé, lo que representa un avance significativo en el campo. Kang enfatiza que la nueva capacidad para medir la geometría cuántica de los materiales es el resultado de la estrecha colaboración entre teóricos y experimentalistas. Además, la pandemia de COVID-19 facilitó una colaboración inesperada con teóricos en Corea del Sur, lo que contribuyó al éxito del proyecto. Durante la pandemia, Comin tuvo la oportunidad de viajar a Italia para realizar experimentos en el Laboratorio Nacional Elettra, donde, tras un imprevisto, tuvo que llevar a cabo los experimentos de manera remota.
Este trabajo no solo representa un avance técnico, sino que también subraya la importancia de la colaboración internacional en la investigación científica, un aspecto que debería ser valorado y promovido en el contexto actual de desafíos globales. La capacidad de los científicos para adaptarse a circunstancias adversas y encontrar nuevas formas de trabajo conjunto es esencial para el progreso en campos como la física cuántica.
