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Observan un flujo de partículas materiales en un chip sin resistencia

En el último número de Nature, el grupo de semiconductores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) reporta la observación en un chip de un flujo de partículas materiales sin ninguna resistencia. El trabajo abre el camino para la utilización de condensados de Bose-Einstein y su integración con la nanoelectrónica actual.

En estas imágenes se puede observar un condensado de polaritones (un polaritón es un partícula muy ligera que existe en semiconductores bajo ciertas condiciones) moviéndose a una centésima parte de la velocidad de la luz en el vacío y que pasa a través de un defecto sin sufrir cambios en su trayectoria. Este comportamiento es típico de superfluidos que fluyen sin viscosidad y no sienten la presencia de obstáculos. El defecto se puede observar de unas ondas características, del tipo de las que produce un barco navegando en el agua, y que provienen de un estado de más alta energía que alimenta la gota de superfluido.

Un condensado de Bose–Einstein es un estado de la materia en el que ciertas partículas (bosones) pierden sus características individuales para colapsar en un único estado colectivo y en el cual los efectos cuánticos se manifiestan en una escala macroscópica. Ésta condensación fue predicha por Bose y Einstein en 1924-25.

A finales de los años 30 se observó que, a muy bajas temperaturas (-271 ºC = 2.17 grados Kelvin) cerca del cero absoluto, el helio-4 se comportaba como un nuevo fluido con propiedades inusuales tales como la ausencia de viscosidad (fluir sin disipar energía) y la existencia de vórtices (pequeños remolinos indestructibles) cuantizados. A este nuevo estado se le conoce como superfluido. L. Landau obtuvo el Premio Nobel en 1964 por su teoría fenomenológica que explica la superfluidez como una consecuencia de un condensado de bosones interactuántes. Un fenómeno similar y más conocido es la superconductividad: conducción eléctrica sin resistencia, a bajas temperaturas, debida a la formación de parejas de electrones.

La existencia de condensados en sistemas gaseosos atómicos se demostró por primera vez sólo 70 años después de su predicción y a temperaturas extremas (0.00000017 Kelvin). Este descubrimiento mereció el Premio Nobel a E. Cornell, W. Ketterle y C. Wieman en 2001.

Evidencias de condensados en estado sólido se han obtenido recientemente (J. Kasprzak et al., Nature 443, 409 (2006)) con polaritones (bosones compuestos de excitones y fotones) en microcavidades semiconductoras (un excitón se forma en un semiconductor cuando un electrón orbita entorno a una carga positiva y es equivalente a un átomo de hidrógeno con una masa 1000 veces más pequeña).

Para lograr la observación de superfluidez en un condensado de polaritones han sido esenciales tanto los dispositivos semiconductores de última generación como la construcción de un sistema experimental, financiado a través de Programas como el Consolider QOIT del
Ministerio de Ciencia e Innovación y el NANOCOMIC del Programa de Excelencia de la Comunidad de Madrid, que permite obtener películas, compuestas de imágenes con resolución microscópica, en una escala de tiempos ultrarrápida. En estas películas se muestran condensados de polaritones moviéndose a altísimas velocidades, tan sólo 100 veces menores que la velocidad de la luz. Además estos condensados fluyen como un superfluido sin verse perturbados por la presencia de otros objetos microscópicos.

El trabajo ha sido realizado en el grupo SEMICUAM de los Departamentos de Física de Materiales y de Física Teórica de la Materia Condensada. Los experimentos fueron llevados a cabo por Daniele Sanvitto y Alberto Amo, en colaboración con Dario Ballarini y María Dolores Martín, en el grupo liderado por Luis Viña. La modelización de los experimentos se hizo por Fabrice Laussy y Elena del Valle en el grupo de teoría, dirigido por Carlos Tejedor.

El diseño conceptual y práctico de los experimentos y su modelización han sido realizados totalmente por SEMICUAM. Sin embargo, para llevarlos a cabo ha sido imprescindible contar con chips de semiconductores de última generación. Estos provenían de la Universidad de Sheffield, en la etapa preliminar de las investigaciones, y de los laboratorios del CNRS en París.

Las nuevas posibilidades que ofrecen los polaritones se basan en las temperaturas relativamente altas a las que se consigue la superfluidez, más de un millón de veces superiores a las de los superfluidos atómicos, y en su total integrabilidad con los dispositivos opto-electrónicos habituales.

Fuente: Universidad Autónoma de Madrid (UCCUAM)
Derechos: Creative Commons
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