Entre lo micro y lo macro
Entre el mundo macroscópico que vemos a diario y aquellas cosas tan pequeñas que necesitan de un microscopio para ser vistas hay una transición, un universo comprendido entre los nanómetros y los micrómetros, donde todo se mide en una escala llamada mesoscópica. Allí es donde la física Liliana Arrechea y su grupo de investigación escudriñan el transporte de energía.
Liliana Arrachea junto a su grupo de investigación. Foto: Diana Martinez Llaser. CePro-EXACTAS
La frontera entre lo que se ve y lo que no se ve es mucho más difusa de lo que podríamos pensar. Estamos acostumbrados a dividir a la naturaleza entre el mundo macroscópico y el microscópico. Todos los objetos que se ven a simple vista pertenecen al mundo macroscópico, en cambio las moléculas, los átomos y las partículas subatómicas pertenecen al microscópico y no pueden ser observados de manera directa, sino que su existencia se detecta a partir de cómo se manifiestan a través de fenómenos físicos. En el medio de estos dos universos está el mundo mesoscópico.
El grupo de investigación que dirige Liliana Arrachea y que se encuadra dentro de uno mayor, dedicado al estudio de la materia condensada, trabaja sobre fenómenos de transporte cuántico en sistemas de materia condensada de escala mesoscópica.
“La escala mesoscópica comienza en los nanómetros y se extiende hasta algunos cientos de micrómetros. Al igual que los sistemas macroscópicos, los sistemas mesoscópicos contienen un número grande de átomos, aunque en el caso macroscópico el número típico es el número de Avogadro (1023 partículas) mientras que en la escala mesoscópica, los números típicos son del orden de 105 o menores”, explica Arrachea. Si de física se trata, los fenómenos macroscópicos pueden ser descriptos adecuadamente por las leyes de la mecánica clásica, pero la mayoría de los fenómenos físicos que tienen lugar en el mundo mesoscópico, al igual que los microscópicos, están regidos por las reglas de la mecánica cuántica.
“La física mesoscópica se ocupa de los problemas fundamentales que tienen lugar cuando un objeto macroscópico se miniaturiza. Actualmente, es un área de gran actividad dentro del campo de la materia condensada y la física de materiales”, dice Arrachea. Esta rama de la física comenzó a desarrollarse en los años ‘80, en gran medida motivada por la creciente miniaturización de dispositivos electrónicos como transistores y circuitos, que constituyen la base de computadoras y teléfonos.
“A nosotros nos interesa, especialmente, comprender y describir fenómenos de transporte. En particular, nos interesa descubrir nuevos mecanismos para generar y controlar corrientes eléctricas y comprender también cómo se transporta la energía en estos sistemas”, explica la investigadora. Para ello, los especialistas estudian, por ejemplo, puntos y capacitores cuánticos, pequeñas islas de un material en el que se diseña un circuito para confinar electrones. Este dispositivo se manipula mediante la aplicación de voltajes eléctricos, que permiten, por ejemplo, mover a los electrones uno a uno en un circuito o generar corrientes magnéticas.
Ilustración: Prol
Otro tema de interés es el estudio de sistemas en el estado de Hall cuántico. “El efecto Hall clásico consiste en una acumulación de los electrones en los bordes del material cuando una corriente eléctrica circula en presencia de un campo magnético perpendicular a la misma. A temperaturas suficientemente bajas, los efectos cuánticos dominan; este efecto presenta características peculiares y la conducción de electrones adquiere características mesoscópicas”, explica Arrachea. “Concretamente, en estos sistemas existen los denominados estados de borde, que constituyen como calles en los bordes del material, por las que circulan los electrones en un determinado sentido, sin experimentar choques. Esta característica es muy interesante porque manipular estos estados es de alguna manera equivalente a mover y deformar estas calles a voluntad. De esta manera se consigue generar rayos de electrones que se comportan de manera parecida a los rayos de luz”, agrega.
Hace muy poco tiempo, en el año 2007, se comprendió que las características del efecto Hall cuántico, en particular la existencia de los estados de borde también se manifiestan en otros materiales denominados aisladores topológicos y superconductores topológicos. “Actualmente, el estado topológico se identifica como un nuevo estado de la materia y existe un gran interés en descubrir y estudiar nuevos materiales topológicos”, afirma.
Aunque parezca algo muy abstracto, el efecto Hall cuántico se utiliza a diario en metrología. “En un laboratorio del INTI, así como en los institutos de metrología de otros países del mundo, se monta periódicamente un experimento para medir la corriente eléctrica en un sistema Hall cuántico. Esas mediciones establecen patrones de referencia para la fabricación de resistencias eléctricas”, comenta la investigadora.
También se sueña con alcanzar una miniaturización de dispositivos electrónicos en los que puntos cuánticos o átomos individuales funcionen como transistores. Esto ayudaría también a cumplir el sueño de la computación cuántica. Pero todo esto pertenece aún al mundo de los sueños. “Para conseguirlo, aún deben entenderse mejor fenómenos fundamentales del transporte de los electrones y la energía. Ese es el plan en el que estamos embarcados”, remata Arrachea.
Grupo de Transporte Cuántico en Sistemas Mesoscópicos
(Departamento de Física – CONICET)
Pabellón I, entrepiso. Tel.: 4576-3353
Dirección: Liliana Arrachea Integrantes del grupo: Alberto Camjayi (UBA), Carlos Naón (Universidad de La Plata)
Tesistas de doctorado: Maria Florencia Ludovico y Bruno Rizzo (UBA); Hugo Aita (Universidad de La Plata).
Colaboradores externos: Eduardo Fradkin (Urbana-Illinois) y Felix von Oppen (FU-Berlin)
