Nota dominical: Qué teoría es la teoría BCS

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La teoría microscópica de la superconductividad basada en pares de Cooper, llamada teoría BCS porque fue publicada por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957 [1], no es una teoría microscópica en sentido estricto, sino una teoría fenomenológica, ya que no explica cómo se aparean los electrones gracias a la interacción con los fonones (vibraciones cuánticas de la red cristalina). En el artículo original se aproxima el potencial de atracción entre los electrones por una constante y se asume que la densidad de cuasipartículas (pares de Cooper) es constante en la superficie de Fermi; ambas hipótesis son válidas sólo de forma aproximada. Hoy en día hay varias teorías “microscópicas” que explican o justifican estas aproximaciones. De hecho, la teoría microscópica de la superconductividad, stricto sensu, aún no ha sido descubierta. Por tanto, el término “teoría BCS” no se refiere a una única teoría microscópica de la superconductividad, sino que agrupa a un cierto número de teorías alternativas todas ellas fenomenológicas en cierto grado. Nos lo cuentan en detalle Alexander M Gabovich, Vladimir I Kuznetsov, “What do we mean when using the acronym ‘BCS’? The Bardeen–Cooper–Schrieffer theory of superconductivity,” Eur. J. Phys. 34: 371–382, 2013.

En la teoría BCS todos los electrones apareados constituyen un sistema colectivo con una única función de onda coherente, con lo que las propiedades de cada par de Cooper son sólo una aproximación. Cada par se comportaría como una cuasipartícula (llamada “cuasimolécula” en el artículo original) de tipo bosón, pero la individualidad de dicho par hay que ponerla en entredicho, ya que la longitud de onda de coherencia asociada a la función de onda colectiva de todos los pares es del orden del micrómetro, enorme comparada con la distancia entre átomos de la red cristalina (aunque la longitud de coherencia en algunos cupratos, superconductores de alta temperatura, es mucho más pequeña, del orden de nanómetros). Por ello, en sentido estricto no se puede hablar de un solo par de Cooper, sólo de todo el conjunto de pares de forma colectiva.

Afirmar que el estado superconductor BCS es equivalente a un estado condensado de Bose-Einstein (BEC) de pares de Cooper es abusar del lenguaje, aunque muchos libros de texto lo hagan (y yo mismo en este blog lo he hecho alguna que otra vez). Usar el término “condensación cuántica” para aludir a la transición de fase superconductora puede ser engañoso para los estudiantes universitarios, postgraduados e incluso para físicos profesionales que no trabajan en los fundamentos teóricos de la superconductividad.

Otro punto importante a tener en cuenta es que la teoría BCS original era una teoría de acoplo débil entre los fonones y los electrones que se aparean, de tal forma que la red no se ve afectada. Sin embargo, en muchos casos el acoplo es fuerte y los electrones que se aparean en realidad corresponden a cuasipartículas (los llamados “fermiones pesados”), debido a los cambios que el acoplo introduce en la propia red cuyos iones se mueven de forma periódica alterando la superficie en el espacio de energía que define el nivel de Fermi.

Todas estas razones nos recuerdan que la teoría BCS original es fenomenológica y por tanto no debería ser llamada teoría microscópica (término que se mantiene por tradición). Para rizar el rizo, en teoría de la superconductividad se utilizan dos adjetivos “exótico” y “no convencional” para hacer referencia a los comportamientos de los superconductores no descritos por la teoría BCS que tienen su origen en la física microscópica subyacente. En opinión de Gabovich y Kuznetsov, se debe aclarar a los estudiantes estas cuestiones terminológicas para que pueden entender la teoría BCS y su rango de aplicabilidad. Más aún, hay que recordarles que la teoría microscópica de la superconductividad no existe todavía y por ello no se entienden los materiales superconductores a alta temperatura. Los jóvenes deben ser conscientes de ello. Bueno, y los no tan jóvenes…

Francis en Naukas (con adenda): Qué significa que un gas cuántico tiene una temperatura negativa

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Te recomiendo leer mi nuevo artículo en Naukas, “Qué significa que un gas cuántico tiene una temperatura negativa,” 04 enero 2013. “La temperatura absoluta de un gas ideal clásico mide la distribución de velocidades de las moléculas de dicho gas en un estado de equilibrio termodinámico. Para un gas clásico, una temperatura nula significa que todas las moléculas están en reposo. Por tanto, no tiene sentido físico una temperatura absoluta negativa aplicada a un gas clásico. (…) En mecánica estadística la temperatura tiene una interpretación probabilística. Gracias a la distribución de Boltzmann, la temperatura “mide” la probabilidad de que cada molécula de un gas ideal ocupe un estado con cierta energía. (…) Un sistema con temperatura absoluta negativa sería un sistema en equilibrio “invertido” en el que la probabilidad de ocupación de los estados crece de forma exponencial con la energía, es decir, los estados de menor energía están menos ocupados que los de mayor energía. Si la energía no tiene cota superior (energía máxima), es imposible que un sistema de este tipo esté en equilibrio. (…) Nada impide que se pueda lograr un sistema con temperatura absoluta negativa.  Para ello son necesarios dos requisitos.” Seguir leyendo en Naukas.com.

Ayer noche iba a escribir esta noticia para este blog, pero un poco más técnica que la que aparece en Naukas.com.

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Teoría de cuerdas aplicada a la física de la materia condensada

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La teoría de cuerdas, una teoría cuántica de campos cuerdísticos, nos ofrece una nueva visión sobre la física cuántica de la materia condensada: el estudio de los materiales, tanto metales como superconductores, a temperaturas muy próximas al cero absoluto. La imagen de “cuerdas” que se mueven en un espaciotiempo con dimensiones extra no tiene ningún sentido físico en materia condensada. Lo único importante son las dualidades matemáticas que permiten trasladar un problema irresoluble en un contexto dado a un problema más sencillo en otro. En la superconductividad los electrones se aparean (entrelazan cuánticamente en pares de Cooper) que se comportan como si fueran partículas, lo que permite aplicar las técnicas de la teoría cuántica de campos para partículas puntuales. En los líquidos de Fermi, líquidos de espín y otros materiales se observa el entrelazamiento de un gran número de electrones en interacción mutua fuerte, por lo que la analogía con partículas puntuales no es adecuada; los campos de cuerdas cuánticas que se propagan en las dimensiones extra del espacio son la alternativa buscada por los físicos durante mucho tiempo. Nos lo cuenta Subir Sachdev, “String Theory Helps to Explain Quantum Phases of Matter,” Scientific Amerian, Jan. 2013.

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Un análogo del mecanismo de Higgs en un gas de átomos de rubidio ultrafríos atrapados en una red óptica

La rotura espontánea de la simetría juega un papel clave en nuestra compresión de la Naturaleza. En teorías cuánticas de campos da lugar a la aparición de bosones de Higgs con masa. Un superfluido neutro bidimensional puede presentar análogos al bosón de Higgs durante la transición de fase cuántica que le lleva a una fase aislante de tipo Mott. Manuel Endres et al. han demostrado que este sistema físico se comporta como una teoría cuántica de campos (relavista) bidimensional. Este tipo de sistemas permite reproducir en laboratorio un fenómeno físico que se observó cuando el universo tenía solo una billonésima de segundo de existencia; las analogías físicas siempre han sido claves para entender muchos fenómenos cuyo estudio directo está fuera de nuestro alcance. En este sentido, el futuro de este trabajo es muy prometedor. El artículo técnico es Manuel Endres, Takeshi Fukuhara, David Pekker, Marc Cheneau, Peter Schauβ, Christian Gross, Eugene Demler, Stefan Kuhr & Immanuel Bloch, “The ‘Higgs’ amplitude mode at the two-dimensional superfluid/Mott insulator transition,” Nature 487: 454–458, 26 July 2012.

En un análogo no relativista, un modo Higgs es una oscilación en amplitud de un campo cuántico que aparece como excitación colectiva en un sistema cuántico multicuerpo como resultado de la rotura espontánea de una simetría continua. Cerca del punto cuántico crítico, la física de estos sistemas se describe como una teoría crítica efectiva invariante Lorentz. La versión mínima de dicha teoría está descrita por un parámetro de orden complejo Ψ = |Ψ|eiΦ cerca de una transición de fase cuántica entre una fase ordenada (|Ψ| > 0) y otra desordenada (|Ψ| = 0). En la fase ordenada, la densidad de energía clásica tiene forma de “sombrero mejicano” y el parámetro de orden tiene un valor mayor que cero en el mínimo del potencial. Su fase, Φ, ha adquirido un valor gracias a una rotura espontánea de la simetría U(1). El desarrollo local del campo alrededor del estado fundamental conduce a dos tipos de modos (excitaciones cuánticas), un modo de Nambu–Goldstone y otro de Higgs, que están relacionados con la fase y la amplitud de las variaciones de Ψ, respectivamente (ver la figura que abre esta entrada). El modo en amplitud se diferencia del modo en fase porque tiene un “salto” (gap), es decir, una masa.

Los autores utilizan un gas átomos de 87Rb (que son bosones) ultrafríos atrapados en una red óptica. Esos sistemas se rigen por el modelo de Bose–Hubbard, parametrizado por la amplitud J del efecto túnel entre los pozos ópticos y la energía de interacción interatómica U; el parámetro de acoplamiento es jJ/U y puede ser fácilmente controlado mediante el cambio en la profundidad de los pozos de la red óptica. La transición de fase cuántica entre superfluido (fase ordenada) y aislante Mott (fase desordenada) ocurre a un valor crítico del acomplamiento jc, como se muestra en la figura de arriba los resultados experimentales están en buen acuerdo con las predicciones de la teoría.

¿Se ha descubierto algo nuevo en este trabajo técnico? Por ahora es pronto para buscar grandes sorpresas en este trabajo que se ha publicado en Nature por lograr algo que antes no se había logrado. Habrá que esperar a su futuro estudio en detalle. Aún así, creo importante destacar que se han observado excitaciones discretas de los modos de Higgs en este sistema confinado similares a las que se esperan en el bosón de Higgs cuando se consideran dimensiones extra compactas en el espaciotiempo.

XXIV Carnaval Física y Carnaval Matemáticas 2.7: Tal vez la teoría de cuerdas es el nuevo cálculo del siglo XXI

Las ecuaciones de la teoría de cuerdas pueden ser una poderosa herramienta para analizar algunos estados exóticos de la materia, desde las bolas supercalientes de quarks y gluones, hasta los áltomos superfríos. El año pasado hubo cuatro conferencias internacionales que estimularon la colaboración entre físicos de cuerdas y físicos de la materia condensada. Los escépticos aún se preguntan si esta extraña alianza dará lugar a nuevas ideas o si solo es un matrimonio de conveniencia. La teoría de cuerdas predice la existencia de muchos nuevos estados de la materia, pero verificar estas predicciones es muy difícil y los experimentos decisivos aún están en fase de planificación. ¿Por qué muchos teóricos de cuerdas se dedican ahora a la física de la materia condensada? Dos libros publicados en 2006, “Not Even Wrong” de Peter Woit (no está traducido al español) y “The Trouble With Physics” de Lee Smolin (en español “Las dudas de la física en el siglo XXI”), dos libros que critican el alejamiento de la “teoría de todo” de los experimentos, podrían ser la causa psicológica del acercamiento de los teóricos de cuerdas hacia las aplicaciones en materia condensada en opinión de Joseph Polchinski, uno de los teóricos de cuerdas más famosos que trabaja en el Instituto Kavli de Física Teórica, Santa Bárbara, California. Nos lo ha contado Zeeya Merali, “Collaborative physics: String theory finds a bench mate,” Published online 19 October 2011 | News Feature, Nature 478: 302-304, 20 October 2011.

El noviazgo entre la teoría de cuerdas y la física de la materia condensada comenzó hace 12 años cuando Dam Thanh Son y Andrei Starinets se reunieron en 1999 en Nueva York. Ambos habían sido compañeros de habitación cuando eran estudiantes en la Universidad de Moscú en los 1980. Estos amigos habían perdido el contacto al abandonar Rusia tras la caída del muro. Cuando Son vió los cálculos en teoría de cuerdas de un alumno de doctorado de Starinets, Giuseppe Policastro, reconoció las mismas ecuaciones que él utilizaba para analizar un plasma de quarks y gluones. ¡Cómo era posible! Starinets le explicó que él y Policastro estaban trabajando en una idea propuesta en 1997 por Juan Maldacena, físico argentino que entonces estaba en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts; Maldacena está ahora en el Instituto para Estudio Avanzado de Princeton, New Jersey. Las ecuaciones de Son para el plasma de quarks y gluones en un mundo tridimensional eran equivalentes gracias a la conjetura de Maldacena (correspondencia CFT/AdS o dualidad gauge/gravedad) a las ecuaciones de un campo gravitatorio tetradimensional, un mundo de partículas cuánticas tridimensional era equivalente a un mundo tetradimensional de agujeros negros y cuerdas. En realidad, en la versión original de Maldacena, esta equivalente entre una teoría gauge 4D y una teoría gravitatoria 5D.

 

Son y Starinets observaron que que la correspondencia de Maldacena’s podía ser una herramienta matemática poderosa para resolver muchos problemas. En su caso concreto, cálculos cuánticos muy complicados en un plasma de quarks y gluones tridimensional podían ser transformados en cálculos muy sencillos en un espaciotiempo tetradimensional adecuado. Una vez obtenida la respuesta gravitatoria al problema, el resultado se podía escribir en el lenguaje de la teoría de campos. Los físicos de cuerdas dicen que hay un diccionario que relaciona los conceptos físicos entre ambas teorías. Son y Starinets lograron calcular la viscosidad (shear viscosity) de un plasma de quarks y gluones. En 2008, sus predicciones teóricas fueron confirmadas en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) en el BNL (Brookhaven National Laboratory), New York. Según un amigo de Son, este artículo fue “el primer artículo útil en teoría de cuerdas.”

Subir Sachdev, un teórico en materia condensada de Harvard, decidió aplicar la teoría de cuerdas al estudio de las transiciones de fase cuánticas (cambios que ocurren en un material a una temperatura muy próxima al cero absoluto cuando los efectos cuánticos empiezan a dominar). El estudio de estos estados exóticos de ciertos materiales, como superconductores de alta temperatura, superfluidos, condensados de Bose-Einstein y metales “extraños,” requería el desarrollo de nuevas herramientas matemáticas y resultó que en teoría de cuerdas dichas herramientas ya habían sido desarrolladas. Sachdev aplicó las ideas de Maldacena a materiales de laboratorio en dos artículos en 2007, uno publicado junto a Son y sus colegas, y otro junto a Sean Hartnoll, teórico de cuerdas de la Universidad de Stanford en California. Gracias a ello la conductividad en los metales extraños en 3D se hizo corresponder con ciertas propiedades de los agujeros negros en 4D, obteniendo resultados que reproducían los obtenidos en laboratorio. Problemas que habían sido imposibles de resolver en 20 años en la física de los metales extraños, parecían doblegados gracias a la teoría de cuerdas. Gracias a la gran reputación de Sachdev, muchos físicos de la materia condensada se empezaron a tomar en serio la necesidad de estudiar teoría de cuerdas.

Según Clifford Johnson, teórico de cuerdas de la Universidad de California del Sur, en Los Angeles, el resultado obtenido en materia condensada, al contrario que el obtenido en el plasma de quarks y gluones, incitó a muchos teóricos de cuerdas a cambiar de tópico, en lugar de estudiar la “teoría de todo” decidieron estudiar problemas físicos contrastables en laboratorio. “Como la miel que atrae a las abjeas,” muchos físicos jóvenes están siendo atraídos a estas nuevas aplicaciones de la teoría de cuerdas en física de la materia condensada. Según Polchinski “ya era hora de que la teoría de cuerdas se acercara a la realidad.” Todo esto tiene un grano de salAunque Polchinski también admite cierto punto de sal cuando afirma que “no creo que los teóricos de cuerdas hayan descubierto aún algo nuevo que los físicos de la materia condensada no supieran ya.” Aún pero, algunas predicciones de la teoría de cuerdas son muy “exóticas” para el punto de visto convencional en materia condensada y aún no han sido verificadas por los experimentos. Para convencer a los escépticos, los teóricos de cuerdas están buscando configuraciones de agujeros negros en teoría de cuerdas que predigan nuevas transiciones de fase aún no observadas por los físicos. Según Sachdev hay muchos problemas en materia condensada en los que se podrían encontrar este tipo de fenómenos.

Según Andrew Green, físico de la materia condensada en la Universidad de St Andrews, Gran Bretaña, todos estos descubrimientos muestran que hasta ahora la teoría de cuerdas ha sido mal interpretada, “tal vez la teoría de cuerdas no es una teoría única de la realidad, sino algo más profundo, un conjunto de principios matemáticos que pueden ser usados ​​para relacionar todas las teorías físicas entre sí. Tal vez la teoría de cuerdas es el nuevo cálculo.”

Esta entrada es una contribución doble, por un lado a la “XXIV Edición del Carnaval de la Física,” hospedada en el blog de astronomía del argentino Gerardo Blanco “Últimas Noticias del Cosmos” (puedes enviar tus posts a “Últimas Noticias del Cosmos” hasta el 25 de octubre), por otro lado a la “Edición 2.7 del Carnaval de Matemáticas,” hospedada en el blog de Daniel Martín Reina “La Aventura de la Ciencia” (puedes enviar tus posts a “La Aventura de la Ciencia” hasta el 23 de octubre). Me gustaría haber escrito dos entradas diferentes… una para cada carnaval, pero ya veremos si me da tiempo, se me está echando el tiempo encima.

El padre de la física de estado sólido y de la materia condensada: Albert Einstein

Einstein fue el padre de la teoría de la relatividad y uno de los dos abuelos de la mecánica cuántica (junto a Planck). El artículo de 1907 de Einstein sobre la teoría del calor específico de los sólidos introdujo por primera vez la idea de que las vibraciones de la red de átomos de un sólido son responsables de sus propiedades termodinámicas, en particular de su calor específico. Dicho artículo fue el primero de una serie de artículos de Einstein que crearon la física del estado sólido y con ella la física de la materia condensada. La esencia del genio en estado en puro. Nos lo contó Manuel Cardona (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Alemania), “Albert Einstein as the Father of Solid State Physics,” pp. 85-114, Cien Años de Herencia Einsteniana, Universitat de Valencia, 2005. El artículo de Cardona, Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica en el año 1988,  forma parte de un ciclo de conferencias de hace un lustro cuyas actas merecen una relectura de vez en cuando. 

Tras su año milagroso (annus mirabilis), 1905, Einstein se dedicó a estudiar la teoría del calor en los sólidos. En concreto, las propiedades dinámicas de los fonones (vibraciones de la red de átomos) en un sólido aislante. La teoría de los electrones en un sólido tuvo que esperar al desarrollo de la estadística de Fermi-Dirac en 1926. Einstein consideró el caso más sencillo, que todos los átomos vibran a la misma frecuencia, sea la frecuencia media de vibración, llamada frecuencia de Einstein en su honor. Estas frecuencias se comportan como bosones, es decir, como fotones, por ello se llaman fonones, por lo que se estudian gracias a la teoría (cuántica) de la radiación de Planck. En 1911, Nernst (Premio nobel de Química en 1920) y su estudiante de doctorado Lindermann extendieron la teoría de Einstein a dos frecuencias de vibración (hoy corresponden a las frecuencias medias de vibración de los fonones llamadas acústicas y ópticas). También dicho año P. Debye estudió la teoría de las vibraciones elásticas de un sólido que incluía tanto un espectro discreto de frecuencias como uno continuo (hasta frecuencia cero). La teoría de Debye es más exacta que la de Einstein (y la de Nernst-Lindermann) para algunos materiales, como el diamante, como muestra la figura que acompaña esta entrada.

La importancia del artículo de Einstein de 1907, desde el punto de vista teórico, como catalizador y origen de toda la física del estado sólido es similar a la del descubrimiento por parte de H. Kamerlingh Onnes de la superconductividad en 1911. De hecho, Einstein escribió un modelo teórico de la superconductividad en 1922, pero sus ideas cayeron en saco roto pues no se conocía la teoría de Fermi-Dirac para un gas de electrones; aún así, su idea de que un estado coherente (hoy diríamos un estado de Bose-Einstein) era clave se confirmó muchas décadas más tarde gracias a la teoría BCS. Ya sabrás que las ideas del indio N. Bose sobre un estado coherente en un gas de fotones (o bosones) son de 1924.

Publicado en Nature: No existen estados ligados con más de tres excitones en arseniuro de galio

La ausencia de pico en la diagonal demuestra que no existe el tetraexcitón (cuadexciton). (C) Nature.

Un excitón es una especie de “átomo” formado por un electrón y un hueco aparejados por la fuerza eléctrica de Coulomb en un semiconductor; se ligan igual que el electrón y el protón en un átomo de hidrógeno. Dos pares electrón-hueco, dos excitones, se pueden aparejar en un biexcitón (equivalente a la molécula de hidrógeno, H2) y tres en un triexcitón. Turner y Nelson (MIT, EE.UU.) publican en Nature un artículo que demuestra que en arseniuro de galio no existen estados ligados con más de tres excitones. Para ello han utilizado una nueva técnica de espectroscopia óptica no lineal coherente que usa un láser de femtosegundos (milbillonésimas de segundo). El trabajo puede tener aplicaciones en el diseño de nuevas células solares fotovoltáicas. Nos lo cuenta Gregory D. Scholes, “Condensed-matter physics: The dance of electrons and holes,” Nature 466: 1047–1048, 26 August 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Daniel B. Turner, Keith A. Nelson, “Coherent measurements of high-order electronic correlations in quantum wells,” Nature 466: 1089–1092, 26 August 2010.

Os recuerdo algunas ideas sobre la conducción de la corriente eléctrica en un sólido cristalino. Los átomos de un sólido cristalino están ordenados en una estructura periódica tridimensional. Los electrones se encuentran deslocalizados por todo el sólido ocupando estados discretos de energía. El principio de exclusión de Pauli prohibe que dos electrones ocupen el mismo estado energético. Como todos los electrones en el sólido tienen números cuánticos parecidos, cada nivel de energía de un electrón en un solo átomo se divide, cuando hay N electrones en el sólido, en N niveles de energía muy próximos entre sí. Se forma una banda de energía, casi continua. Al siguiente nivel de energía le pasa lo mismo y se forma una segunda banda de energía, y así sucesivamente. La banda de menor energía completamente rellena de electrones se denomina banda de valencia. La siguiente banda, que está prácticamente vacía, se llama banda de conducción, por que los electrones responsables de la conducción eléctrica en el sólido son los que ocupan dicha banda. En los aislantes y semiconductores existe una región de energía prohibida (banda prohibida o bandgap) entre las bandas de valencia y conducción. Si la banda prohibida es muy grande, no hay electrones que puedan saltar de la banda de valencia a la de conducción y el sólido es un aislante. Si la banda prohibida es pequeña, habrá electrones que puedan saltar y el sólido es un semiconductor. Si no existe la banda prohibida, porque las bandas de valencia y conducción tienen una intersectan entre sí, el sólido es un conductor.

El arseniuro de galio (GaAs) es un semiconductor. Cuando absorbe un fotón, un electrón salta de la banda de valencia (llena de electrones) a la banda de conducción (vacía), dejando tras de sí un “hueco” (de carga opuesta al electrón) en la banda de valencia. Para la mecánica cuántica el hueco y el electrón se comportan como dos partículas en pie de igualdad, aunque de cargas opuestas. El hueco y el electrón se pueden mover de forma independiente por el material a temperatura ambiente. Un electrón en un sólido se mueve como si tuviera una masa “efectiva” diferente de su masa en reposo en el vacío y que depende del sólido considerado. El hueco también se mueve con una masa “efectiva” que es diferente a la del electrón. A baja temperatura (por debajo de 10 Kelvin en el GaAs), el electrón y el hueco pueden atraerse mutuamente por la fuerza de Coulomb y formar un estado estable, el excitón, muy similar a un átomo. Como tanto el electrón como el hueco son fermiones (partículas de espín semientero), el excitón tiene 2 estados posibles (L y H) con niveles de energía muy próximos. Dos excitones pueden ligarse entre sí para formar un biexcitón, una especie de molécula formada por dos electrones y dos huecos, que puede tener tres estados posibles (HH, HL y LL) con niveles de energía próximos. Tres excitones pueden formar un triexcitón con cuatro estados posibles de energía (HHH, HHL, HLL y LLL). En teoría se podrían formar estados ligados con más de tres excitones (multiexcitones).

El artículo de Turner y Nelson ha demostrado que en el GaAs no existen estados con cuatro excitones. La figura clave es la que abre esta entrada en la que se observa un línea (diagonal) a trozos. En dicha línea tendrían que observarse un pico correspondiente al estado HHHH del tetraexcitón (cuadexciton en inglés). En otras figuras parecidas se deberían observar picos asociados a sus otros posibles estados HHHL, HHLL, HLLL y LLLL. Como no se observa ningún pico, los autores concluyen que no existen los estados tetraexcitón en el GaAs y de ahí que tampoco existen estados multiexcitones con más de tres excitones. ¿Cómo se tendría que ver en la figura de la entrada el pico correspondiente a un tetraexcitón? Abajo tenéis lo que se ve para el estado HHH del triexcitón. El artículo técnico presenta otras figuras que analizan el comportamiento de los triexcitones en el GaAs, ya que si bien los estados de excitón y biexcitón habían sido muy estudiados en GaAs, este es uno de los primeros artículos que estudia los estados de triexcitón. 

Nuevo artículo de teoría de cuerdas aplicada a la física de la materia condensada publicado en Science

Los físicos teóricos de cuerdas están de enhorabuena. Si trabajan en física de la materia condensada ya pueden aspirar a publicar en revistas como Science y Nature. La teoría de cuerdas, una utopía hace una década, se está convirtiendo en una herramienta, cual escalpelo, capaz de diseccionar la realidad desde un nuevo enfoque: la realidad exótica en la física de la materia condensada y del estado sólido. El comportamiento de los electrones en los metales se explica gracias a la teoría de líquidos de Fermi. En superconductores de alta temperatura (cupratos y pnicturos) y en materiales con fermiones pesados cerca de una transición de fase cuántica (toda una repajolera de materiales), se observan electrones que no se comportan según la teoría de líquidos de Fermi. Las técnicas matemáticas para entender estos materiales tan extraños están en su infancia. La teoría de cuerdas, más matemáticas que física, se nos ofrece como una poderosa herramienta donde no hay otra opción (la matemática de la teoría de cuerdas manda cojones para cualquier físico de la materia condensada). La dualidad AdS/CFT (gravedad/teoría cuántica de campos) permite caracterizar los materiales que no se comportan como líquidos de Fermi y entender sus comportamientos y propiedades. Bueno, no hay que exagerar, la matemática de la teoría de cuerdas tampoco es tan complicada, digo yo. Tras 40 años de avances teóricos de los físico-matemáticos más frikis del planeta ya hay hasta libros de texto para enterarse de la misa la mitad. Aún así cuando me hablan de teorías holográficas para entender la física de materiales se me ponen los pelos como escarpias (a mí que estudié y aprobé holografía en Óptica de Fourier). El artículo técnico que Thomas Faulkner, Nabil Iqbal, Hong Liu, John McGreevy y  David Vegh han logrado colar en Science se titula “Strange Metal Transport Realized by Gauge/Gravity Duality,” Science, Published Online August 5, 2010 [el artículo está en ArXiv, con otro título]. El artículo técnico, en mi modesta opinión, es solo para frikis. Algunos pensarán que me equivoco y que dentro de 10 años el físico que no lo entienda no debería haber recibido el título. Quizás tengan razón. He de confesar que no pude pasar del primer tomo del “Superstring theory” de Green, Schwarz y Witten, y que aunque me tragué los dos tomos del “String Theory” de Polchinski, soy incapaz de resolver la mayoría de los ejercicios propuestos (afortunadamente la solución se encuentra en muchas fuentes por internet). Me encuentro entre los que disfrutaron con pasión “The Quantum Theory of Fields” de Weinberg. ¡Pobre de mí! ¡A mis años, un torpe!

Publicado en Nature: Avances hacia el almacenamiento ultrarrápido de información en soporte magnético

El almacenamiento ultrarrápido de información en soporte magnético requiere el uso de pulsos ópticos ultracortos. El efecto de dichos pulsos sobre los electrones en movimiento responsables del magnetismo es poco conocido. Se publica en Nature un artículo que estudia dicho efecto, que destaco aquí porque entre cuyos autores se encuentra el joven español Víctor López Flores, que desarrolló su tesis doctoral en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, actualmente postdoc en el Instituto de Física y Química de Materiales de Estrasburgo, Francia. El magnetismo es producido por los electrones en movimiento en un sólido. El momento magnético tiene dos componentes, el momento orbital y el momento de espín, que son intercambiables en escalas de tiempo de los femtosegundos. El nuevo artículo de Víctor, cuyo primer autor es Christine Boeglin, utiliza pulsos de luz ultracortos para modificar el momento orbital de los electrones en un material megnético y observar gracias a pulsos de rayos X, cómo dicho momento se transfiere al espín. Un gran avance que posibilitará el desarrollo de sistemas de almacenamiento magnético de información ultrarrápidos. El artículo técnico es C. Boeglin et al., “Distinguishing the ultrafast dynamics of spin and orbital moments in solids,” Nature 465: 458–461, 27 May 2010.

Un partícula cuántica aislada, como un electrón, posee dos momentos magnéticos diferentes, el orbital (L) y el de espín (S), que pueden intercambiar su estado entre sí, siempre y cuando se conserve el momento magnético total. Para electrones moviéndose a velocidades relativistas en un sólido ambas componentes del momento magnético se entrelazan de tal forma que a escalas de femtosegundos es muy difícil separar sus efectos. Boeglin et al. han estudiado películas ferromagnéticas delgadas excitadas con pulsos ópticos ultracortos en el régimen de los femtosegundos. Gracias el uso de pulsos de rayos X polarizados circularmente (generados en el Sincrotrón de tercera generación BESSY, sito en Berlín, Alemania), también en el régimen de los femtosegundos, han sido capaces de estudiar de forma separada ambas componentes del momento magnético, revelando por primera vez cómo se transfiere momento entre L y S en respuesta a los pulsos incidentes. Su análisis permite entender la desmagnetización inducida por pulsos láser ultrarrápidos, de gran interés para el futuro desarrollo de las tecnologías de almacenamiento magnético de información.