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Aparece una nueva partícula cuántica en un nuevo estado de la materia

Aparece una nueva partícula cuántica en un nuevo estado de la materia

Una partícula cuántica previamente desconocida, equivalente a un electrón neutro, podría haberse descubierto en un nuevo estado de la materia: un metal que se vuelve aislante conservando sus propiedades cuánticas.

Investigadores de la Universidad de Princeton en Estados Unidos han observado un comportamiento cuántico inesperado en un aislante hecho de un material llamado ditelururo de tungsteno (tungsten ditelluride).

Este comportamiento, conocido como oscilación cuántica, se observa típicamente en metales y su descubrimiento en aislantes ofrece nuevos conocimientos sobre nuestra comprensión del mundo cuántico, según se informa en un comunicado.

El descubrimiento permite pensar que existe un nuevo tipo completamente nuevo de partícula cuántica desconocida hasta ahora, aseguran los investigadores en un artículo publicado en la revista Nature.

El descubrimiento desafía una distinción muy antigua entre metales (buenos conductores de la electricidad y el calor) y aislantes (que no lo son).

En la teoría cuántica de los materiales, no se había observado hasta ahora, ni tampoco se consideraba posible, que los aislantes pudieran experimentar oscilaciones cuánticas, algo que la nueva investigación ha descubierto.

Sello distintivo

La observación de oscilaciones cuánticas se ha considerado durante mucho tiempo un sello distintivo de la diferencia entre metales y aislantes.

En los metales, los electrones son muy móviles y la resistividad, la resistencia a la conducción eléctrica, es débil. Hace casi un siglo, los investigadores observaron que un campo magnético, sometido a temperaturas muy bajas, puede hacer que los electrones cambien de un estado «clásico» a un estado cuántico, provocando oscilaciones en la resistividad del metal.

En los aislantes, por el contrario, los electrones no pueden moverse y los materiales tienen una resistividad muy alta, por lo que no se espera que ocurran oscilaciones cuánticas de este tipo, sin importar la fuerza del campo magnético aplicado.

El descubrimiento se realizó cuando los investigadores estaban estudiando un material llamado ditelururo de tungsteno, al que convirtieron en un material bidimensional (formado por una sola capa atómica).

Para convertirlo en bidimensional, los investigadores prepararon el material utilizando cinta adhesiva estándar: de esta forma suprimieron cada vez más las capas, hasta llegar a lo que se llama la base del material bidimensional: una capa del grosor de un átomo.

Algo inexplicable

El ditelururo de tungsteno, cuando se espesa, se comporta como un metal. Pero una vez que se convierte en una monocapa, se transforma en un aislante muy fuerte.

Lo sorprendente es que, después del cambio de metal a aislante, el material conserva muchas propiedades cuánticas especiales, destaca Wu.

Los investigadores lo comprobaron al medir la resistividad de el ditelururo de tungsteno monocapa bajo la presión de diferentes campos magnéticos.

Para su sorpresa, la resistividad del aislante, a pesar de ser bastante grande, comenzó a oscilar a medida que aumentaba el campo magnético, lo que indica el cambio a un estado cuántico.

En efecto, el material, convertido a un aislante muy fuerte, exhibía la propiedad cuántica más notable de un metal. Wu aclara que no existen teorías actuales para explicar este fenómeno: sugiere la formación de tipos completamente nuevos de fases cuánticas previamente ocultas en aislantes.

¿Otra forma de materia cuántica?

Wu y sus colegas sugieren una hipótesis provocativa: se trataría de una forma de materia cuántica con carga neutra. «Debido a interacciones muy fuertes, los electrones se están organizando para producir este nuevo tipo de materia cuántica», explica Wu.

Pero, en última instancia, ya no son los electrones los que están oscilando, añade. En cambio, los investigadores creen que las nuevas partículas, que han denominado «fermiones neutros», nacen de estos electrones que interactúan fuertemente y son responsables de crear este efecto cuántico sorprendente.

Los fermiones son una categoría de partículas cuánticas que incluyen electrones. En los materiales cuánticos, los fermiones cargados pueden ser electrones cargados negativamente, o «huecos» cargados positivamente que son responsables de la conducción eléctrica.

Es decir, si el material es un aislante eléctrico, estos fermiones cargados no pueden moverse libremente. Sin embargo, las partículas que son neutrales, es decir, que no tienen carga negativa ni positiva, en teoría es posible que estén presentes y móviles en un aislante.

Punto de partida

«Nuestros resultados experimentales entran en conflicto con todas las teorías existentes basadas en fermiones cargados», señala otro de los investigadores, Pengjie Wang, añadiendo: «pero podrían explicarse en presencia de fermiones con carga neutra».

El equipo de Princeton planea realizar más investigaciones sobre las propiedades cuánticas del ditelurulo de tungsteno. Están particularmente interesados ​​en descubrir si su hipótesis, sobre la existencia de una nueva partícula cuántica, es válida.

“Este es solo el punto de partida”, dijo Wu. «Si estamos en lo cierto, los futuros investigadores encontrarán otros aislantes con esta sorprendente propiedad cuántica».

Para codificar información

A pesar de la sorpresa de la investigación y de la interpretación tentativa de los resultados, Wu especula sobre cómo se podría poner en práctica este fenómeno.

«Es posible que los fermiones neutros puedan usarse en el futuro para codificar información que sería útil en la computación cuántica», señala.

Y añade: “mientras tanto, todavía estamos en las primeras etapas de comprensión de fenómenos cuánticos como este, por lo que todavía se deben hacer nuevos descubrimientos fundamentales” antes de pensar en posibles aplicaciones.

Referencia

Landau quantization and highly mobile fermions in an insulator. Pengjie Wang et al. Nature volume 589, pages225–229(2021). DOI :https://doi.org/10.1038/s41586-020-03084-9

Imagen: Diseñada por Kai Fu para Wu Lab, Universidad de Princeton.

RedacciónT21

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