Confirman predicciones teóricas sobre el control de fases geométricas de espines

El trabajo de un investigador de la Universidad de Sevilla co-protagoniza uno de los viewpoints (puntos de vista) que destaca el último número de la revista Physics de la American Physical Society (APS). El estudia analiza la manipulación controlada de fases geométricas de espines (momentos de rotación de una partícula), lo que puede ayudar a mejorar el diseño de nanocircuitos.

La revista Physical Review Letters ha publicado un artículo con resultados experimentales de un grupo de investigación japonés, dirigido por el profesor J. Nitta (Universidad de Tohoku), que estudia y confirma las predicciones teóricas realizadas por Diego Frustaglia, investigador de la Universidad de Sevilla, en colaboración con Klaus Richter de la Universität Regensburg (Alemania), y en las que vienen trabajando desde hace más de una década.

El trabajo trata de la manipulación controlada de fases geométricas en electrónica cuántica de espines (momentos intrínsecos de rotación de una partícula), con posibles aplicaciones en el diseño de nanocircuitos para el procesamiento de información. La importancia de estos resultados ha merecido el Viewpoint del 21 de febrero de la revista Physics de la APS, que recoger lo más destacado en las publicaciones de Physical Review .

Frustaglia, del Departamento de Física Aplicada II, explica que con este experimento se corroboran definitivamente las hipótesis que ya barajaban junto a Richter en su artículo teórico de 2004 sobre el comportamiento de los espines electrónicos en presencia de texturas magnéticas. Además, por primera vez se realiza un estudio pormenorizado y preciso del desarrollo de fases geométricas electrónicas que “se habían observado parcialmente en el pasado, pero que entonces no se sabían aislar ni interpretar con claridad”.

De este modo, estos experimentos han demostrado que las fases topológicas de los espines electrónicos son muy estables. Esta característica es relevante para el diseño de nuevos dispositivos cuánticos como, por ejemplo, los transistores basados en la interferencia de espines y su aplicación en información cuántica de estado sólido, afirma el investigador.
 
Por otra parte, estos resultados podrían representar un avance en el diseño de los denominados aislantes topológicos: mediante la manipulación de la fase geométrica se podría producir este tipo de materiales que cuentan con un estrato de electrones protegido de su entorno.

Con esta publicación la comunidad científica internacional reconoce las predicciones teóricas en las que este grupo de investigación lleva trabajando desde hace más de una década.

 

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Referencia bibliográfica:

Fumiya Nagasawa, Jun Takagi, Yoji Kunihashi, Makoto Kohda, Junsaku Nitta. "Experimental Demonstration of Spin Geometric Phase: Radius Dependence of Time-Reversal Aharonov-Casher Oscillations". Phys. Rev. Lett. 108 (8), 21 de febrero de 2012. Doi: 10.1103/Physics.5.22.

El espín (del inglés spin 'giro, girar') se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo (la intuición de que el spin corresponde al momento angular debido a la rotación de la partícula en torno a su propio eje sólo debe tenerse como una imagen mental útil, puesto que, tal como se deduce de la teoría cuántica relativista, el spin no tiene una representación en términos de coordenadas, de modo que no puede referir ningún tipo de movimiento). Eso implica que cualquier observador al hacer una medida del momento angular detectará inevitablemente que la partícula posee un momento angular intrínseco total, difiriendo observadores diferentes sólo sobre la dirección de dicho momento, y no sobre su valor. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. El espín fue introducido en 1925 por Ralph Kronig e, independientemente, por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit.

Los dos físicos, Goudsmit y Uhlenbeck, descubrieron que, si bien la teoría cuántica de la época no podía explicar algunas propiedades de los espectros atómicos, añadiendo un número cuántico adicional, el espín, se lograba dar una explicación más completa de los espectros atómicos. Pronto, el concepto de espín se amplió a todas las partículas subatómicas, incluidos los protones, los neutrones y las antipartículas.

El espín proporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. En contraste con la mecánica clásica, donde el momento angular se asocia a la rotación de un objeto extenso, el espín es un fenómeno exclusivamente cuántico, que no se puede relacionar de forma directa con una rotación en el espacio.

Existe una relación directa entre el espín de una partícula y la estadística que obedece en un sistema colectivo de muchas de ellas. Esta relación, conocida empíricamente, es demostrable en teoría cuántica de campos relativista.


La colisión de un quark (la esfera roja) desde un protón (la esfera naranja) con un gluon (la esfera verde) desde otro protón con espín opuesto. El espín está representado por las flechas azules alrededor de los protones y del quark. Los signos de interrogación azules alrededor del gluon representan la pregunta: ¿Están los gluones polarizados? Las partículas expulsadas de la colisión son una lluvia de quarks y un fotón (la esfera púrpura).

 

 

Como propiedad mecanocuántica, el espín presenta una serie de cualidades que lo distinguen del momento angular clásico:

  • El valor de espín está cuantizado, lo que significa que no pueden encontrarse partículas con cualquier valor del espín, sino que el espín de una partícula siempre es un múltiplo entero de \hbar/2 (donde \hbar es la constante de Planck dividida entre 2\pi, también llamada constante de Dirac).
  • En concreto, cuando se realiza una medición del espín en diferentes direcciones, sólo se obtienen una serie de valores posibles, que son sus posibles proyecciones sobre esa dirección. Por ejemplo, la proyección del momento angular de espín de un electrón, si se mide en una dirección particular dada por un campo magnético externo, puede resultar únicamente en los valores \hbar/2 o bien -\hbar/2.
  • Además, la magnitud total del espín es única para cada tipo de partícula elemental. Para los electrones, los protones y los neutrones, esta magnitud es, en unidades de \hbar\cdot\sqrt{s(s+1)} , siendo s = 1/2 \,. Esto contrasta con el caso clásico donde el momento angular de un cuerpo alrededor de su eje puede asumir diferentes valores según la rotación sea más o menos rápida.

Bibliografia wikipedia.org
Angular Momentum Torques Conservation of Angular Momentum Spinning Neutron Stars Stellar

(January 11, 2010) Leonard Susskind, discusses the origin of covalent bonds, Coulomb's Law, and the names and properties of particles.

This course is a continuation of the Fall quarter
on particle physics. The material will focus on
the Standard Model of particle physics, especially
quantum chromodynamics (the theory of quarks) and
the electroweak theory based on the existence of the
Higgs boson. We will also explore the inadequacies
of the Standard Model and why theorists are led to
go beyond it.

This course was originally presented in Stanford's Continuing Studies program.

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