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.