Materiales cuánticos

Los materiales cuánticos son un término general en la física de la materia condensada que abarca todos los materiales cuyas propiedades esenciales no pueden describirse en términos de partículas semiclasicas y mecánica cuántica de bajo nivel . ^{[ 1 ]} Se trata de materiales que presentan fuertes correlaciones electrónicas o algún tipo de orden electrónico, como superconductores u órdenes magnéticos, o materiales cuyas propiedades electrónicas están vinculadas a efectos cuánticos no genéricos : aislantes topológicos , sistemas de electrones de Dirac como el grafeno , así como sistemas cuyas propiedades colectivas están regidas por un comportamiento genuinamente cuántico, como átomos ultrafríos , excitones fríos , polaritones , etc. A nivel microscópico, cuatro grados de libertad fundamentales —carga, espín, órbita y red— se entrelazan, dando lugar a estados electrónicos complejos; ^{[ 1 ]} el concepto de emergencia es un hilo conductor en el estudio de los materiales cuánticos. ^{[ 2 ]}

Los materiales cuánticos exhiben propiedades desconcertantes sin contraparte en el mundo macroscópico: entrelazamiento cuántico , fluctuaciones cuánticas, estados de frontera robustos que dependen de la topología de las funciones de onda volumétricas de los materiales, etc. ^{[ 1 ]} Anomalías cuánticas como el efecto magnético quiral vinculan algunos materiales cuánticos con procesos en la física de alta energía de plasmas de quarks y gluones . ^{[ 3 ]}

En 2012, Joseph Orenstein publicó un artículo en Physics Today sobre "espectroscopia ultrarrápida de materiales cuánticos". ^{[ 4 ]} Orenstein afirmó:

El término "materiales cuánticos" se utiliza para referirse al área de la física de la materia condensada anteriormente conocida como sistemas electrónicos fuertemente correlacionados. Si bien este campo es amplio, un tema unificador es el descubrimiento y la investigación de materiales cuyas propiedades electrónicas no pueden comprenderse con los conceptos de los libros de texto de física de la materia condensada actuales.

Como ejemplo paradigmático, Orenstein se refiere a la ruptura de la teoría del líquido de Fermi de Landau debido a fuertes correlaciones. El uso del término "materiales cuánticos" se ha extendido y aplicado a otros sistemas, como aislantes topológicos y materiales de electrones de Dirac. El término ha cobrado impulso desde que se publicó el artículo "El auge de los materiales cuánticos" en Nature Physics en 2016. ^{[ 2 ]} Citando:

En términos sencillos, todos los materiales existen gracias a las leyes de la mecánica cuántica, y algunos escépticos se preguntarán en privado si la descripción no es demasiado general y, bueno, demasiado llamativa. Pero dada la historia de la física de la materia condensada que acabamos de describir, existen buenas razones para adoptar los materiales cuánticos. En esencia, proporcionan un hilo conductor que une a diversas comunidades de investigadores que trabajan en una variedad de problemas en las fronteras de la física, la ciencia de los materiales y la ingeniería.