Los electrones siguieron dos trayectorias distintas: físicos por fin explican una anomalía cuántica
El aprendizaje automático permitió dar con la fuente de interferencias inusuales.
Una pulsación inusual, que durante años dificultó desentrañar las señales de nanohilos cuánticos, resultó ser la huella de dos rutas electrónicas simultáneas. Científicos del Instituto Coreano de Estándares y Ciencia, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju y de la Universidad Nacional de Kongju explicaron la naturaleza de esos batidos.
El equipo estudió nanohilos de seleniuro de bismuto Bi₂Se₃ dopados con antimonio. El material pertenece a los aislantes topológicos, que conducen casi nada de corriente en el interior pero permiten el movimiento de electrones en la superficie. En un campo magnético, las ondas electrónicas rodean el nanohilo por rutas distintas e interfieren, por lo que la conductancia varía periódicamente.
Estos cambios se llaman oscilaciones de Aharonov–Bohm y a menudo se consideran una señal de estados superficiales topológicos. Sin embargo, el dopado puede formar bajo la superficie otra capa conductora, conocida como gas electrónico bidimensional. Hasta ahora no estaba claro si los electrones ordinarios de esa capa participaban en la interferencia observada.
La pista la dio la comprobación de las propiedades termoeléctricas de los nanohilos. En lugar de una única secuencia estable de oscilaciones, los instrumentos registraron batidos en los que la amplitud de la señal se reforzaba y debilitaba periódicamente. Un nuevo análisis de mediciones previas de conductancia mostró que un patrón similar ya estaba presente en los datos, pero no se había podido determinar su origen.
Los resultados vincularon los batidos con la superposición de oscilaciones del estado superficial y del gas electrónico bidimensional. Los electrones en las dos vías rodean áreas transversales ligeramente distintas del nanohilo, por lo que generan periodos cercanos pero no coincidentes. Su superposición forma la envolvente pulsante de la señal.
El aprendizaje automático ayudó a separar las frecuencias cercanas que el análisis convencional distinguía mal. Al variar la tensión de la compuerta, la forma de los batidos cambiaba; sin embargo, las frecuencias de los dos componentes se mantenían. Cálculos teóricos reprodujeron las observaciones, y un nanohilo independiente confirmó el resultado. El trabajo muestra que los dispositivos topológicos requieren un control preciso del dopado y de la compuerta, de lo contrario los estados ordinarios pueden distorsionar la señal cuántica.