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William Javier Herrera (foto: cortesía archivo particular William Javier Herrera)
Por Laura Sánchez Largo
La revista científica Nature, fundada en 1869 y de prestigio internacional, publicó el 22 de marzo el artículo «Estados de corral cuántico en la superficie de un superconductor de fermiones pesados», en su traducción al español. Es una investigación que surgió en un desarrollo experimental en la U. Autónoma de Madrid (UAM) en la que participaron durante siete años tres investigadores colombianos: William Javier Herrera, Edwin Herrera y José Augusto Galvis.
Fueron nueve meses desde que el artículo fue sometido para publicación, que da aportes en modelos para el cálculo de fermiones pesados en corrales cuánticos que los profesores Herrera explicarán más adelante. William Javier Herrera es egresado de física en pregrado y doctorado de la Universidad Nacional de Colombia. En la investigación se encargó en parte de los modelos teóricos y apoyó la interpretación de los resultados experimentales.
[Consulte el artículo Quantum-well states at the surface of a heavy-fermion superconductor, publicado el 22 de marzo del 2023 en la revista Nature]
El profesor Herrera se ha dedicado en la sede Bogotá a estudiar la superconductividad y la nanotecnología en un grupo de investigación con el mismo nombre que está en Categoría A1 (Minciencias). En el 2023 ganaron una convocatoria UNAL de la Vicerrectoría de Investigación para la creación de un Centro de Excelencia en tecnologías cuánticas y sus aplicaciones a meteorología.
«Nature es una revista que se fundó en el siglo XIX, su fundador fue el mismo que descubrió el helio. Es de referencia de todas las ciencias y no es sencillo publicar allí. Nosotros en el experimento usamos helio para bajar la temperatura a menos de un grado kelvin. Lo más significativo para mí es que en la publicación aparezca la UNAL»: William Javier Herrera
Para entender el artículo publicado en la revista Naturees importante primero comprender de qué se habla cuando se estudia la física clásica y la física cuántica.
«Cuando uno da física cotidiana es la física clásica con la que se explica qué pasa al caminar, al golpear un balón de fútbol o cómo las ondas electromagnéticas entran al televisor, eso se puede entender con física del siglo XIX o anterior, pero a principios del siglo XX se da la primera revolución cuántica, que explica que las partículas subatómicas, los núcleos o los electrones no se comportan como las partículas clásicas», contextualiza el profesor William Javier.
Según el profesor, los electrones en la física cuántica no pueden ser imaginados como una pelota de béisbol que deambula de un lado a otro, sino que tienen un comportamiento ondulatorio, el cual se describe a través de una onda como las que genera el agua, pero para los electrones esta onda tiene que ver con la probabilidad, nos indica en dónde podría estar con mayor probabilidad el electrón.
Hay una segunda revolución cuántica que se basa principalmente en manipular e interaccionar con los estados cuánticos descritos por la onda, lo que se conoce como tecnologías cuánticas, y donde se enmarcan la computación cuántica, la meteorología cuántica, sensores cuánticos, etc.
«En el artículo mostramos que podemos observar estos estados cuánticos sobre la superficie de un material en dimensiones que son grandes para las escalas atómicas y nos permite dar luces sobre lo que sucede en los materiales de fermiones pesados», indica el profesor William Javier.
Microscopio de efecto túnel con el que experimentaron con los fermiones pesados (foto: cortesía de Edwin Herrera)
La investigación se realizó con un microscopio de efecto túnel: «tiene una punta muy pequeña, con la dimensión de un átomo en su borde, la punta se acerca a la superficie que se analizará, se aplica un voltaje entre el material y la punta lo cual producen una corriente eléctrica. La punta hace un escaneo de la energía de las partículas para saber lo que está sucediendo sobre la superficie», describe el profesor William Javier.
El material es un cristal compuesto de uranio, rutenio y silicio, lo que en física significa que tiene un arreglo regular perfecto, es decir que tiene átomos muy ordenados.
«El cristal se parte y quedan sobre la superficie unas terrazas en las cuales se hace el barrido del microscopio. En estas terrazas es posible observar estados de superficie, que aparecen porque la superficie sirve de frontera para el movimiento libre de los electrones dentro del cristal. Cuando hay una terraza en esta superficie los electrones quedan “encerrados” lateralmente y es más fácil observar los estados cuánticos generados por el confinamiento lateral», explica William Javier.
Los experimentos se realizaron a temperaturas muy bajas y se debe usar helio, a menos de 272 grados Celsius. «Usualmente se necesita bajar la temperatura porque la onda es muy sensible al entorno que la rodea y bajar la temperatura hace que el experimento sea más preciso», aclara William Javier.
Edwin Herrera (foto: cortesía archivo particular Edwin Herrera)
El investigador Edwin Herrera es egresado de Licenciatura en Física de la U. Distrital Francisco José de Caldas, con maestría en Física de la U. de los Andes y realizó su doctorado en Madrid (España) e hizo una estancia de investigación en la UNAL.
«En el 2015 y 2016 empecé a medir el URu2Si2. El resultado es un análisis experimental y teórico de esos resultados. El microscopio de efecto túnel nos permite estudiar la superficie del material y sus propiedades estructurales y electrónicas a escalas de nivel atómico”, expresa Edwin.
El material estudiado forma parte de una familia de compuestos conocidos como «fermiones pesados». En estos materiales los electrones poseen masas efectivas que pueden llegar a ser de hasta 100 veces la masa del electrón libre debido a las fuertes interacciones que aparecen al combinar electrones que están en los átomos, de allí el nombre de fermiones pesados.
Edwin califica de contraintuitivo que los electrones pesen más, pero esto se debe a las interacciones de los electrones en el material. Además, este material es superconductor a bajas temperaturas (1,4 K), lo que hace que los electrones se muevan sin resistencia dentro de él; adicionalmente el material posee la característica de tener una fase de orden oculto, que es una fase que desde hace casi 40 años viene siendo estudiada por grupos científicos de todo el mundo y cuyo origen, aún hoy, permanece desconocido.
«La masa de los electrones que hemos podido deducir experimentalmente es 17 veces la masa del electrón libre. La superconductividad es no convencional y el mecanismo que la genera se desconoce. Gracias al modelo teórico desarrollado, pudimos establecer que los electrones en la superficie interaccionan con la fase superconductora. Este resultado podría servir para plantear aplicaciones futuras ya que este tipo de sistemas, fermiones pesados superconductores, son fuertes candidatos para generar qubits para computación cuántica», aclara Edwin.
Cuando los fermiones están encerrados cumplen con unas condiciones de la mecánica cuántica que se asemejan a corrales cuánticos.
Así lo explica Edwin: «encerramos electrones y tenemos estados cuantizados, es decir que a ciertas energías vas a ver cosas y a otras no vas a ver nada».
Los modelos que se propusieron y donde participó el profesor William Javier están basados en la mecánica cuántica y son usados para calcular la corriente que fluye entre la punta y la superficie, otro para analizar lo que sucede en los estados confinados en los bordes de la terraza, y un modelo para describir las ondas dentro de los corrales cuánticos.
«Este tipo de estados se habían observado en metales sencillos como el oro, el cobre o la plata, pero nunca se habían observado mediante microscopía de efecto túnel en fermiones pesados»: Edwin Herrera
(LSL/VRI)
[Boletín SIUN 627, 13/14 de abril de 2023]
