Físicos construyen formas fractales a partir de electrones

KEMPKES ET AL., NATURE PHYSICS, 2018)

   MADRID, 13 Nov. (EUROPA PRESS) -

   Físicos de la Universidad de Utrecht han conseguido reducir la formación de estructuras fractales hasta producirlas a base de electrones, una escala en la que se surge el comportamiento cuántico.

   En Física, es bien sabido que los electrones se comportan de manera muy diferente en tres dimensiones, dos dimensiones o una dimensión. Estos comportamientos dan lugar a diferentes posibilidades para aplicaciones tecnológicas y sistemas electrónicos.

   Pero, ¿qué sucede si los electrones viven en 1,58 dimensiones, y qué significa realmente? Los físicos teóricos y experimentales de la Universidad de Utrecht investigaron estas preguntas en un nuevo estudio que se publica en Nature Physics.

   Puede ser difícil imaginar 1.58 dimensiones, pero la idea es más común de lo que parece a primera vista. Las dimensiones no enteras, como 1,58, se pueden encontrar en estructuras fractales, como los pulmones. Un fractal es una estructura similar a sí misma que se escala de manera diferente a los objetos normales: si te acercas, verás la misma estructura nuevamente. Por ejemplo, una pequeña porción de brócoli típicamente se ve similar a la cabeza entera de brócoli. En electrónica, los fractales se utilizan en antenas por sus propiedades de recepción y transmisión de señales en un amplio rango de frecuencias.

   Un tema relativamente nuevo en los fractales es el comportamiento cuántico que surge si se acerca a la escala de los electrones. Usando un simulador cuántico, los físicos de Utrecht Sander Kempkes y Marlou Slot pudieron construir tal fractal a partir de electrones. Los investigadores crearon un 'molde para muffins' en el que los electrones se limitarían a una forma fractal, al colocar las moléculas de monóxido de carbono en la forma correcta sobre un fondo de cobre con un microscopio de exploración de túneles.

   La forma fractal triangular resultante en la que se confinaron los electrones se llama triángulo de Sierpinski, que tiene una dimensión fractal de 1,58. Los investigadores observaron que los electrones en el triángulo realmente se comportan como si vivieran en 1.58 dimensiones.

   Los resultados del estudio muestran cómo los triángulos de unión (imagen de la izquierda) y Sierpinski (imagen de la derecha) no están separados en energía, lo que brinda buenas oportunidades para transmitir corrientes a través de estas estructuras fractales. En el caso de enlace, los electrones están conectados y pueden ir fácilmente de un lugar a otro (transmisión alta), mientras que en el caso de enlace no están conectados y necesitan "saltar" a otro lugar (transmisión baja). Además, al calcular la dimensión de la función de onda electrónica, los investigadores observaron que los electrones en sí están confinados a esta dimensión y las funciones de onda heredan esta dimensión fraccional.

   "Desde un punto de vista teórico, este es un resultado muy interesante e innovador", dice en un comunicado la física teórica Cristiane de Morais Smith, quien supervisó el estudio junto con los físicos experimentales Ingmar Swart y Daniel Vanmaekelbergh. "Abre una línea de investigación completamente nueva, que genera preguntas como: ¿qué significa en realidad que los electrones estén confinados en dimensiones no enteras? ¿Se comportan más como en una dimensión o en dos dimensiones? ¿Y qué sucede si un campo magnético se activa de forma perpendicular a la muestra. Los fractales ya tienen un gran número de aplicaciones, por lo que estos resultados pueden tener un gran impacto en la investigación a escala cuántica".