Miden, por primera vez, la 'geometría cuántica' de los electrones

El hito, conseguido por un equipo internacional de investigadores dirigido por Mingu Kang y Sunjie Kim, de las universidades de Cornell y Seúl, acaba de ser publicado en 'Nature Physics' y abre, según Riccardo Comin, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y autor principal de la investigación, «nuevas vías para comprender y manipular las propiedades cuánticas de los materiales. Básicamente, hemos desarrollado un modo para obtener información completamente nueva que antes no se podía conseguir».

En nuestra realidad cotidiana, la materia se comporta de maneras que la física clásica describe con extraordinaria precisión. Pero en el extraño mundo de la física cuántica, esa precisión debe dejar paso a una descripción mucho más confusa. Un electrón, por ejemplo, en el que solemos pensar como en una bola diminuta, puede describirse también como una onda de probabilidad, un conjunto de posibilidades en el que distintas realidades son igualmente posibles.

Para describir ese aspecto ondulatorio de los electrones, los físicos utilizan funciones de onda: modelos matemáticos que describen las propiedades de la onda como posibilidades de encontrar la partícula en un lugar específico con características específicas.

Podemos considerar algunas de esas características como una especie de geometría, «como una superficie en un espacio tridimensional», en palabras de Comin.

Existen diferentes tipos de funciones de onda, desde las muy simples hasta las realmente complejas. Pensemos, por ejemplo, en una pelota, lo que sería análogo a una función de onda simple o trivial. Pero si imaginamos una tira de Mobius, la cosa cambia por completo, y sería análogo a una función de onda compleja. Y resulta que el mundo cuántico está lleno de funciones de onda de ese tipo.

Sin embargo, hasta ahora la geometría cuántica de las funciones de onda sólo podía inferirse teóricamente y, a menudo, ni siquiera de esa forma. Pero esa propiedad se está volviendo cada vez más importante a medida que los físicos encuentran cada vez más materiales cuánticos con aplicaciones potenciales en todo, desde computadoras cuánticas hasta dispositivos electrónicos y magnéticos avanzados.

Para determinar la geometría cuántica de los electrones, Kang, Jie y sus colegas buscaron medir una propiedad conocida como tensor geométrico cuántico, o QGT. Se trata de una cantidad física que codifica toda la información geométrica de un estado cuántico, de forma similar a como un holograma bidimensional codifica información sobre un espacio tridimensional.

La técnica que utilizaron se llama espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo, en la que se disparan fotones contra un material determinado para desalojar electrones y medir sus propiedades, como la polarización, el espín o el ángulo.

El material elegido por los investigadores para disparar los fotones fueron monocristales de cobalto y estaño, o metal Kagome, un material cuántico cuyas propiedades el equipo ya había investigado previamente con la misma técnica.

Los resultados proporcionaron la primera medición del QGT en un sólido y, a partir de ahí, Kang, Jie y sus colegas pudieron inferir el resto de la geometría cuántica de los electrones en el metal.