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| Tornado cuántico en el espacio del momento. Crédito: Think-Design | Jochen Thamm |
Investigadores han confirmado experimentalmente la existencia de «tornados cuánticos» en el espacio de momento, un fenómeno que se teorizó por primera vez hace ocho años. En el semimetal cuántico arseniuro de tantalio (TaAs), los electrones muestran remolinos en el espacio de momento, lo que supone un avance significativo en la investigación de materiales cuánticos.
El espacio de momento describe el movimiento de los electrones en términos de energía y dirección, a diferencia del espacio de posición, que se ocupa de la ubicación física. Aunque ya se habían observado vórtices cuánticos en el espacio de posición, ésta es la primera prueba experimental de tales estructuras en el espacio de impulso.
El equipo de investigadores perfeccionó la espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES) para detectar estos vórtices cuánticos. La ARPES consiste en proyectar luz sobre un material, extraer electrones y medir su energía y ángulos de salida para revelar la estructura electrónica en el espacio de momento. Adaptando este método, el equipo logró medir el momento angular orbital de los electrones, lo que condujo al descubrimiento del tornado cuántico.
«Esto nos da una visión directa de la estructura electrónica de un material en el espacio de momento», explica Ünzelmann. «Adaptando inteligentemente este método, pudimos medir el momento angular orbital. Llevo trabajando con este método desde mi tesis».
Este descubrimiento podría allanar el camino a nuevas tecnologías cuánticas, como la orbitrónica, que utilizaría el momento orbital de los electrones para transmitir información en componentes electrónicos, reduciendo potencialmente las pérdidas de energía en comparación con los métodos tradicionales basados en cargas.
El estudio ha sido fruto de la colaboración entre el Cluster of Excellence ct.qmat-Complexity and Topology in Quantum Matter- de las Universidades de Würzburg y Dresden, y socios internacionales. Los resultados se han publicado en la revista Physical Review X.
«Analizamos la muestra capa por capa, de forma similar a como funciona la tomografía médica. Al unir imágenes individuales, pudimos reconstruir la estructura tridimensional del momento angular orbital y confirmar que los electrones forman vórtices en el espacio del momento», explica Ünzelmann.
«La detección experimental del tornado cuántico es una prueba del espíritu de equipo de ct.qmat», afirma Matthias Vojta, catedrático de Física Teórica del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Dresde y portavoz de ct.qmat en Dresde. «Con nuestros sólidos centros de física en Würzburg y Dresde, integramos a la perfección la teoría y la experimentación».
«Además, nuestra red fomenta el trabajo en equipo entre grandes expertos y científicos noveles, un enfoque que impulsa nuestra investigación sobre materiales cuánticos topológicos. Y, por supuesto, hoy en día casi todos los proyectos de física son un esfuerzo global, incluido éste».