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Fenómenos emergentes de la materia cuántica condensada
Karen Hallberg Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro, CONICET
XIV Reunión de Física, Quito, 2013
La “emergencia” como concepto:
Emergent phenomena in condensed-matter and materials physics are those that cannot be understood with models that treat the motions of the individual particles within the material independently. Instead, the essence of emergent phenomena lies in the complex interactions between many particles that result in the diverse behavior and often unpredictable collective motion of many particles. (US National Academies)
The reductionist hypothesis does not by any means imply a “constructionist” one: The ability to reduce everything to simple fundamental laws does not imply the ability to start from those laws and reconstruct the universe.- P. W. Anderson*, “More is Different,” Science (177), 393-396, 1972.
Everything that matters in science now is organisational. The reductionist (fundamental) approach has stopped from being useful. Bob Laughlin*
¿Cómo emergen los fenómenos en la física de la materia condensada?
Pradzynski et al, Science 2012¿Cuántas moléculas de agua se necesitan para que critalice?
Ejemplos:
Materiales con electrones fuertemente correlacionados:- Líquidos y no líquidos de Fermi- Fases de simetría rota con un orden “escondido” (cristales líquidos)- Fases con orden topológico (fases fraccionalizadas): carga y espín, espín y órbita, carga fraccionaria, monopolos magnéticos
Superconductividad y superfuidez
Fenómenos críticos
Átomos fríos
Sistemas electrónicos fuertemente correlacionados:
Concepto: correlaciones fuertes, teoría de muchos cuerposPresentan muchos fenómenos emergentes como:
- superconductividad
En el estado normal:- ferro y antiferromagnetismo- orden orbital- orden de carga de largo alcance- magnetorresistencia gigante y colosal- fluctuaciones novedosas
No se explica con la teoría de Líquidos de Fermi.
Líquidos y no-líquidos de Fermi
Concepto: líquidos de Fermi marginales, otros tipos de comportamientos
Líquidos de Landau-Fermi:Prevalencia de E
F (energía cinética cuántica)
(Prevalencia de energía de Coulomb ---> cristal electrónico aislador)
Mecánica cuántica -> Principio de exclusión de Pauli->superficie de FermiCuasipartículas
Líquido de Fermi Líquido de Landau-Fermi
ARPES en Sr2RhO
4 (A. Mackenzie et al, 2006)
Líquido de Landau-Fermi:
No-líquidos de Fermi:
No hay cuasipartícula, interacciones fuertes mezclan todos los estados.Se da en cercanías de puntos críticos cuánticos y sistemas de baja dimensión
Nuevas fases cuánticasEjemplos:
1) Fases de simetría rota con un orden “escondido” como: i) Patrones complejos de corrientes persistentes generados espontáneamente, difícil de medir) ii) Auto-organización: Cristales líquidos electrónicos en fluidos complejos (patrones de rompimiento de simetría entre líquido y cristal), ej. fases nemáticas en Sr
3Ru
2O
7 y La
2-xBa
xCuO
4 y 2DEG
2) Fases con orden topológico (fases fraccionalizadas):i) Separación de carga y espín (1D)ii) Carga fraccionaria o anyones (efecto Hall cuántico fraccionario, 2D) iii) Monopolos magnéticos (Spin Ice, 3D)
Fases de simetría rota con un orden “escondido”(autoorganización)
2) Electrical Resistivity Anisotropy from Self-Organized One Dimensionality in High-Temperature Superconductors, Ando et al, PRL 2002
1) Formation of a Nematic Fluid at High Fields in Sr3Ru
2O
7
R. A. Borzi,1,2,3* S. A. Grigera,1,4 J. Farrell,1 R. S. Perry,1 S. J. S. Lister,1 S. L. Lee,1 D. A. Tennant,5 Y. Maeno,6 A. P. Mackenzie1* Science, 2007
1D: Separación de carga y espín (líquidos de Luttinger, '60)
holonvcvs
spinon
Fases con orden topológico (fraccionalizadas)
E. Jagla, K. Hallberg and C. Balseiro, (1993)
Spin–orbital separation in the quasi-one-dimensional Mott insulator Sr2CuO3,
Schlappa et al, Nature, 2012
1D: Separación de órbita y espín
2D: Efecto Hall cuántico:von Klitzing* (1980) en 2DEG
Fraccionalización de carga
Concepto : otros estados de la materia (Laughlin*, 1983)
Efecto Hall cuántico fraccionario:Tsui*, Stormer* y Gossard, 1982
Efecto Hall cuántico fraccionario:Carga de la cuasipartícula=e/3: composite fermion
IQHE FQHE
Fraccionalización de dipolos magnéticos:
Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7 D. J. P. Morris1,*, D. A. Tennant1,2,*, S. A. Grigera3,4,*, et al, Science 2009, Premio EPS CM 2012
Superconductividad
Concepto: Fenómenos colectivos coherentes
Fenómeno emergente de las interacciones entre electrones y fonones
Kamerlingh Onnes y Holst, Leiden, 1911
Aprovecharon la licuefaccion de He logrado recientemente
Explicación teórica: Bardeen-Cooper-Schrieffer 1957
Teoría de BCS: condensado de pares de electrones
Hamiltoniano modelo:
High Tc:Bednorz y Mueller, Zuerich, 1986 en LaBaCuO de casualidad
Ninguna explicación teórica todavía, ni siquiera del estado normal.
Catalizó investigación en electrones fuertemente correlacionados.
¿Se podría explicar a partir del conocimiento de los átomos individuales, sus leyes cuánticas fundamentales (incluyendo interacciones) aún si tuviéramos una supercomputadora?
Superfluidez
En 4He a T=2.17K por Piotr Kapitza* y Jack Allen (1938)
En 3He a T=0.003K por Osheroff*, Lee* y Richardson* (1972) (casualidad)
Teoría de la superfluidez en 3He--->conexiones con teoría de partículas elementales (incluyendo el bosón de Higgs) y estrellas neutrónicas.
4He, Tc=2.17K
Gases atómicos ultrafríos
Concepto: simular fenómenos de materia condensada
Condensación de Bose-Einstein (BEC)Weimann* y Cornell* en Rb a 170nKKetterle* et al
Fenómenos críticos y universalidad
Concepto: renormalización, que explica la invariancia de escalaindependientemente de los constituyentes microscópicos
Opuesto a la idea reduccionista de construir una teoría a partir depocos elementos a escala atómica
La “serendipia” en los descubrimientos en materia condensada
Los fenómenos emergentes en general son descubiertos por serendipia
Serendipia: condición del descubrimiento que se realiza gracias a una combinación de accidente, sagacidad y conocimiento
K. Dunbar, & J. Fugelsang, (2005). Causal thinking in science: How scientists and students interpret the unexpected:entre 30 y 50% de los descubrimientos son por “serendipia”:“Scientists are not passive recipients of the unexpected; rather, they actively create the conditions for discovering the unexpected and have a robust mental toolkit that makes discovery possible”.
También Thomas Kuhn en “The Structure of Scientific Revolutions”
Louis Pasteur:"Le hasard ne favorise que les esprits préparés"
Ejemplos populares: teflon, DNA, nylon, penicilina, estructura del Benceno, velcro, RX, quiralidad de moléculas, efecto alucinógeno del LDS, gravedad,campos electromagnéticos (Oe), pulsares (J. Bell)...
En materia condensada:
- SC convencional: Hg (1911), K. Onnes, después de la licuefacción de He, Hg fortuito, fácil de purificar- High Tc: en LaBaCuO (1986) Bednorz y Mueller- SC basados en Fe (magnético!) (pníctidos y calcogenuros): Hosono (2008)- Superfluidez en 3He a T=0.003K por Osheroff*, Lee* y Richardson* (1972)- Efecto Hall cuántico fraccionario, por Tsui, Stormer y Gossard (1982)
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A modo de conclusión:
Si bien hubo teorías que predijeron experimentos y observaciones(como los agujeros negros, las estrellas neutrónicas, el efecto Josephson, entre otros), no se han podido predecir conceptos totalmente nuevos en física, como SC, High Tc, efecto Hall, fases nuevas, cuántica, fenómenos complejos como la auto-organización, magnetismo, cristales líquidos, condensación de Bose-Einstein...
En cada nivel de complejidad, emergen nuevas propiedades físicas que pueden considerarse como fundamentales. Es cuando se tiene la actitudadecuada frente a nuevos descubrimientos y suficiente pensamiento “lateral” y creativo que se avanza en las fronteras del conocimiento.