MIT convierte electrones en átomos para estudiar mejor el efecto Hall cuántico

Un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha visualizado por primera vez el efecto Hall cuántico a escala macroscópica. El experimento permitió observar este misterioso fenómeno, que usualmente ocurre a nivel subatómico, a simple vista.

El efecto Hall cuántico, descubierto en 1980 por el físico alemán Klaus von Klitzing, se produce bajo ciertas condiciones: cuando un gas electrónico bidimensional (como en capas delgadas de semiconductores) se coloca en un campo magnético intenso y se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto.

A temperaturas extremas y bajo la influencia de un campo magnético potente, los electrones comienzan a moverse en trayectorias inusuales. Es como si quedaran "atrapados" en diminutas órbitas circulares, conocidas como órbitas ciclotrón.

Una de las principales características del efecto Hall cuántico es que el movimiento ocurre sin pérdida de energía. Esto significa que los electrones no se enfrentan a obstáculos ni defectos en el material, como normalmente sucede en los conductores. El proceso se puede comparar con una autopista perfecta, sin atascos ni otros impedimentos. Además, el efecto se describe mediante números cuánticos, que indican que la conductividad del material cambia de manera discreta, no continua.

Este efecto ha encontrado muchas aplicaciones en la física de la materia condensada y es clave para comprender diversos fenómenos en la física cuántica, como los aislantes topológicos, donde la corriente eléctrica también puede fluir sin resistencia a lo largo de los bordes del material.

Richard Fletcher, profesor asociado del MIT y líder de la investigación, señaló que, por lo general, estos estados cuánticos solo existen durante femtosegundos (una cuatrillonésima de segundo) y a distancias de fracciones de nanómetros. Debido a esto, su estudio mediante métodos tradicionales es extremadamente difícil.

Para superar este obstáculo, los científicos utilizaron una nube de átomos ultrafríos de sodio en lugar de electrones. Esto permitió extender las escalas temporales y espaciales del fenómeno a milisegundos y micrones, respectivamente, lo que lo hizo accesible para la observación directa. Luego, capturaron un millón de átomos ultrafríos de sodio en un sistema de láseres. Para imitar las condiciones de un espacio plano, los hicieron rotar como a los visitantes de la atracción "Gravitron" en un parque de diversiones. Se podría decir que, gracias al equilibrio entre la fuerza centrípeta de la trampa y la fuerza centrífuga de la rotación, los átomos fueron "engañados" para creer que estaban en un plano.

Martin Zwierlein, coautor del estudio, comparó el comportamiento de los átomos con bolitas girando rápidamente por el borde de un cuenco. Se movían sin fricción, sin desacelerarse ni dispersarse en el resto del sistema, demostrando un flujo coherente. Los científicos definieron el "borde" del material gaseoso con un láser, creando una especie de pared. Al chocar con esta barrera luminosa, los átomos comenzaban a moverse en una sola dirección, imitando el comportamiento de los electrones a escala cuántica.

Para comprobar la resistencia del flujo a las perturbaciones, los investigadores colocaron obstáculos en forma de puntos de luz en su camino. Los átomos pasaron junto a ellos sin ninguna resistencia medible, lo que confirmó la presencia del efecto Hall cuántico en un sistema macroscópico.

Este logro abre nuevas posibilidades para el estudio de fenómenos cuánticos. Ahora, los científicos pueden explorar diversos aspectos del efecto que antes eran inaccesibles debido a las limitaciones en la observación. Los resultados del experimento se publicaron en la revista científica Nature Physics y podrían ser cruciales para el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluidas la creación de nuevos materiales con propiedades eléctricas únicas y el diseño de computadoras cuánticas.