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Nuevas fases cuánticas de la materia con orden topológico a temperatura finita

Oscar Viyuela, Ángel Rivas y Miguel Angel Martín-Delgado, investigadores miembros del Consorcio Científico QUITEMAD (Programa de Tecnologías de I+D, financiado por la Comunidad de Madrid), han publicado dos estudios sobre la realización por primera vez de materiales aislantes y superconductores de tipo topológico a temperatura finita o en presencia de entornos disipativos. Hasta ahora se pensaba que los efectos térmicos o disipativos eran tan nocivos que estos materiales exóticos perdían sus sobresalientes propiedades de transporte de carga y spin que los han hecho tan populares en el mundo de los nuevos materiales con propiedades cuánticas y topológicas. El resultado de estos dos trabajos representa un gran avance para la consecución de materiales topológicos suficientemente robustos frente a diversos tipos de ruido externo: térmico, disipativo, etc. Estos materiales son de aplicación en áreas como la spintrónica, la fotónica y la computación cuántica. Para que estas aplicaciones sean posibles, es necesario saber controlar los efectos perturbadores del ruido externo y esto es lo que se ha conseguido con estos estudios.


FUENTE | QUITEMAD - mi+d
12/09/2014
 
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Los trabajos han sido publicados en dos artículos recientes de la revista Phys. Rev. Lett. (American Physical Society) con los títulos: Two-dimensional density-matrix topological fermionic phases: Topological Uhlmann numbers, Phys. Rev. Lett. 113, 076408 (2014). Uhlmann phase as a topological measure for one-dimensional fermion systems, Phys. Rev. Lett. 112, 130401 (2014). (Agosto y abril).

Los materiales aislantes y superconductores topológicos representan un nuevo estado de la materia que va más allá de la teoría estándar de transiciones de fase elaborada por los premios Nobel, L. Landau (1962) y V. L. Ginzburg (2003). Estas nuevas fases de la materia son de gran interés por su aplicación a nuevas tecnologías emergentes como el campo de la spintrónica o los ordenadores cuánticos. Además estos materiales pueden contener nuevas partículas que aún no han sido observadas como los fermiones de Majorana, y en general, todo un mundo de partículas exóticas conocidas como 'anyones'.

A pesar de haber sido extensamente estudiados para el caso ideal de temperatura cero, la creencia habitual es que estas fases exóticas se perdían gradualmente conforme el sistema se calentaba. Sin embargo, en dos trabajos recientes publicados en la revista americana Physical Review Letters [1,2], un grupo de investigadores de la Universidad Complutense de Madrid han encontrado un mecanismo para extender este tipo de orden topológico a situaciones en las que los materiales se encuentran a una temperatura finita (ver Fig.1).

Figura 1: Transporte de estados de borde de carga y de spin en un material aislante topológico expuesto a un foco térmico caliente
Figura 1: Transporte de estados de borde de carga y de spin en un material aislante topológico expuesto a un foco térmico caliente

"Estas exóticas propiedades topológicas y cuánticas pueden resistir efectos disipativos y de temperatura, que son las condiciones naturales a las que se enfrentan los científicos experimentales en la vida real", comenta uno de los autores, Oscar Viyuela.

Desde el descubrimiento de la materia topológica, se ha intentado muchas veces generalizar estas fases a temperatura finita. Sin embargo, no existía hasta ahora ningún método que mantuviera el carácter cuantizado de los números topológicos característicos de estos materiales. De esta forma, los autores muestran nuevas transiciones de fase topológicas no triviales, guiadas únicamente por un cambio en la temperatura. Además, muestran cómo existe siempre una temperatura crítica por encima de la cual la fase topológica desaparece de manera abrupta (ver Fig.2).

"Hemos demostrado que es posible caracterizar fases topológicas térmicas en aislantes y superconductores topológicos a temperatura finita, sin perder su carácter cuántico ni topológico", señala el Dr. Ángel Rivas.

Con estos resultados se abre un nuevo camino que tendrá implicaciones importantes en los experimentos actuales con estos materiales exóticos, además de en simulaciones cuánticas con átomos fríos en redes ópticas.

"Hemos propuesto y analizado diferentes esquemas para observar estos efectos en experimentos actuales. Creemos firmemente que estas nuevas y fascinantes propiedades podrán ser medidas muy pronto en el laboratorio", comenta el profesor Martín-Delgado.

Figura 2: Diagramas de fase de los nuevos materiales mostrando los números cuánticos topológicos como función de la temperatura T. Cada color representa una nueva fase topológica a temperatura finita
Figura 2: Diagramas de fase de los nuevos materiales mostrando los números cuánticos topológicos como función de la temperatura T. Cada color representa una nueva fase topológica a temperatura finita

Estos trabajos suponen un paso importante en el esfuerzo que existe actualmente de incorporar efectos de disipación y temperatura a la teoría de aislantes y superconductores topológicos. Además aumenta sus posibilidades de aplicabilidad a nuevas tecnologías como la spintrónica, los ordenadores cuánticos, etc.

El proyecto ha sido financiado por varias instituciones, entre ellas el programa 'Quantum Information Technologies in Madrid (QUITEMAD)' de la Comunidad de Madrid, el Ministerio de Economía y Competitividad de España y la Comisión Europea (PICC).


[1] O. Viyuela, A. Rivas, M.A. Martin-Delgado, Two-dimensional density-matrix topological fermionic phases: Topological Uhlmann numbers, Phys. Rev. Lett. 113, 076408 (2014).

[2] O. Viyuela, A. Rivas, M.A. Martin-Delgado, Uhlmann phase as a topological measure for one-dimensional fermion systems, Phys. Rev. Lett. 112, 130401 (2014).




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