Primera realización del estado de Laughlin

El descubrimiento de los efectos Hall cuánticos durante la década de 1980 reveló nuevas formas de materia llamadas «estados de Laughlin», en honor al premio Nobel estadounidense que los distinguió teóricamente con éxito.

Estos estados extraños aparecen únicamente en materiales 2D, en condiciones extremadamente frías y cuando se someten a un campo magnético extremadamente fuerte. En el caso de Laughlin, los electrones forman un líquido inusual, en el que cada electrón baila alrededor de sus congéneres evitándolos en la medida de lo posible.

La excitación de tal fluido cuántico genera estados colectivos que los físicos asocian con partículas fantasmas, cuyas propiedades son radicalmente diferentes a las de los electrones: estos «iones» llevan una carga fraccionaria (parte de la carga elemental) y sorprendentemente desafían la clasificación estándar de partículas en términos de bosones o fermiones.

Durante muchos años, los físicos han explorado la posibilidad de realizar estados de Laughlin en otros tipos de sistemas distintos de los que proporcionan los materiales en estado sólido, a la luz de un análisis más profundo de sus propiedades especiales. Sin embargo, los componentes requeridos (la naturaleza bidimensional del sistema, el campo magnético intenso y las fuertes correlaciones entre partículas) han demostrado ser muy desafiantes.

Escribiendo naturalezaUn equipo internacional reunido en torno al grupo experimental de Marcus Grenier en Harvard informó sobre la primera realización del estado de Laughlin utilizando átomos neutros muy fríos manipulados por láser.

El experimento consiste en atrapar algunos átomos en una caja óptica e implementar los ingredientes necesarios para crear este extraño estado: un fuerte campo magnético sintético y fuertes interacciones repulsivas entre los átomos.

En su artículo, los autores revelan las propiedades definitorias del estado de Laughlin al obtener imágenes de los átomos uno por uno a través de un poderoso microscopio cuántico de gases. Muestran la extraña «danza» de las partículas, que orbitan entre sí, así como la naturaleza parcial del estado atómico de Laughlin realizado.

Este hito abre la puerta a un vasto campo nuevo para explorar los estados de Laughlin y sus primos (por ejemplo, el llamado estado de Moore-Read) en simulaciones cuánticas. La posibilidad de crear, obtener imágenes y manipular gemas bajo un microscopio cuántico de gases es particularmente atractiva, a la luz de la explotación de sus propiedades únicas en el laboratorio.

Referencia: «Lograr el estado de Hall cuántico fraccional con átomos extremadamente fríos» por Julian Leonard, Suchin Kim, Joyce Cowan, Perrin Segura, Fabian Grosdt, Cecil Replin, Nathan Goldman y Marcus Grenier, 21 de junio de 2023, disponible aquí. naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06122-4