Proponen capturar transiciones cuánticas con rayos X

Un equipo internacional liderado por la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha presentado un experimento numérico que abre nuevas posibilidades para estudiar las transiciones de fase topológica, es decir, los cambios en las propiedades cuánticas de un material sin alterar su estructura atómica.

Los resultados, publicados en la revista Reports on Progress in Physics, muestran que es posible capturar estas transiciones mediante un novedoso enfoque que supera las limitaciones en la resolución energética de esquemas anteriores. Estos avances son significativos porque podrían facilitar nuevas investigaciones en sistemas fundamentales para aplicaciones en optoelectrónica.

En el trabajo participan investigadores del ICFO; el Instituto de Física de Metales M. N. Mikheev de la Rama Ural de la Academia de Ciencias de Rusia; el King’s College London; la Universidad de Salamanca y  la Max Planck POSTECH/KOREA Research Initiative. 

Fases topológicas y entrelazamiento cuántico 

Los sólidos, líquidos y gases presentan comportamientos muy diferentes debido a la forma en que se organizan sus átomos: en los sólidos, los átomos están empaquetados de forma regular y compacta; en los líquidos, mantienen cierta cercanía pero se mueven de manera aleatoria; mientras que en los gases los átomos están mucho más separados y se desplazan libremente. Estas características definen las fases clásicas de la materia. Sin embargo, en el mundo cuántico emergen nuevas fases de la materia que no dependen de la distribución espacial de los átomos, sino de la forma en que están conectados cuánticamente. Estas son las llamadas fases topológicas.

En las fases topológicas, algunas propiedades de las partículas dentro de un material están vinculadas mediante el entrelazamiento cuántico, un fenómeno por el cual dos partículas pueden afectar mutuamente su estado, sin importar la distancia entre ellas. Este entrelazamiento puede extenderse por todo el sistema, creando patrones complejos que definen diferentes fases topológicas. Así, una transición de fase se produce cuando cambia la forma en que las partículas están entrelazadas, en lugar de cambiar su posición.

Los estados topológicos de la materia permiten desarrollar materiales exóticos, como aquellos que son aislantes en su interior pero conductores en la superficie. Aunque en los últimos años ha habido un gran progreso en la creación de estos materiales, muchos de ellos, como los aislantes topológicos inducidos por láseres ultracortos, solo existen mientras el pulso de láser está activo, lo cual impone la necesidad de usar sondas ultrarrápidas para estudiarlos.

Hasta ahora, la espectroscopía de fotoemisión con resolución angular (ARPES) ha sido una herramienta clave para investigar estos sistemas, pero presenta un problema: a medida que se acortan los pulsos para capturar la dinámica ultrarrápida del material, disminuye la resolución energética, lo cual dificulta el análisis detallado.

Nuevo enfoque

Con el objetivo de superar estas limitaciones, un equipo liderado por la Universidad Autónoma de Madrid, en colaboración con investigadores de varias instituciones internacionales, ha propuesto un nuevo enfoque complementario a la ARPES. 

En un experimento numérico respaldado por un modelo teórico, el grupo demostró que la espectroscopía de absorción de rayos X permite capturar directamente las transiciones de fase topológica sin sacrificar resolución energética.  Esto podría abrir nuevas oportunidades para estudiar materiales con aplicaciones en optoelectrónica, cuya investigación había estado, hasta ahora, frenada por la comprometida relación entre la duración del pulso y la resolución energética.

En el experimento, los investigadores simularon la interacción de dos pulsos ultracortos, separados por un retardo temporal, sobre una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN). Un pulso era de rayos X polarizado linealmente y el otro era un pulso infrarrojo polarizado circularmente. Al variar la polarización del pulso infrarrojo, también cambiaba la absorción del material, lo cual permitió inferir la fase topológica del sistema.

"Nuestro esquema ultrarrápido es muy sensible a las transiciones de fase topológica. Cuando la fase cambia, queda una huella en el espectro de absorción. Esto podría ser clave para estudiar fases topológicas e identificar transiciones de fase topológica en algunos materiales. El siguiente paso es diseñar un experimento que nos permita comprobar esta idea en un escenario real", concluyen los autores.

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Referencia bibliográfica:

Juan F P Mosquera, Giovanni Cistaro, Mikhail Malakhov, Emilio Pisanty, Alexandre Dauphin, Luis Plaja, Alexis Chacón, Maciej Lewenstein y Antonio Picon, Topological phase transitions via attosecond x-ray absorption spectroscopy, Rep. on Prog. Phys. DOI: 10.1088/1361-6633/ad889f

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