Oddball 'electrón neutro' posiblemente descubierto en nuevo estado de la materia




(Imagen: © Michael Osterrieder a través de Getty Images)


Una partícula cuántica previamente desconocida, equivalente a un electrón neutro, puede haberse encontrado en un nuevo estado de la materia.

Sin embargo, la bola impar sin cargos no sería uno de los bloques de construcción fundamentales de la materia. Más bien, sería una cuasijpartícula que surge del comportamiento colectivo de un material sólo cuando las condiciones son correctas. En el nuevo estudio, esas condiciones se observaron en láminas de un cristal semimetámetido que mostraba algún extraño comportamiento electromagnético.

"Si nuestras interpretaciones son correctas, estamos viendo una forma fundamentalmente nueva de materia cuántica", dijo el físico de la Universidad de Princeton Sanfeng Wu en un comunicado. Wu es el autor principal de un nuevo estudio que describe el descubrimiento el 4 de enero en la revista Nature.

El y sus colegas estaban siguiendo basándose en pistas en experimentos anteriores del extraño comportamiento de una lámina delgada del material cristalino ditelluride de tungsteno. El material conduce electricidad como un metal a granel, pero es un aislante fuerte como una "monocapa", una capa que tiene un solo átomo de grosor, porque los electrones móviles de una corriente están bloqueados por sus electrones fijos, que se vuelven mucho más fuertes en una hoja llamada "bidimensional", dijo Wu a Live Science en un correo electrónico.

Como parte de sus investigaciones, los investigadores expusieron la monocapa a un campo magnético variable a bajas temperaturas, donde los efectos cuánticos se vuelven más pronunciados, y midieron cómo resistía una corriente eléctrica. (El magnetismo y la electricidad están íntimamente relacionados; cuando un campo magnético cambia de fuerza, los electrones comienzan a fluir, mientras que los electrones que fluyen generan un campo magnético.)

Los materiales regulares muestran un comportamiento distintivo bajo estas condiciones: Los metales exhiben un fenómeno llamado "oscilación cuántica", en el que su resistividad cambia rápidamente entre diferentes valores.

Wu explicó que las oscilaciones cuánticas se producen porque los electrones del material están cambiando entre su estado clásico normal y los estados mecánicos cuánticos causados por su movimiento circular en el campo magnético, efectivamente un tipo de "superposición" cuántica donde un electrón puede ocupar varios estados diferentes a la vez.

Pero los aislantes no muestran oscilaciones cuánticas; y así Wu y sus colegas se sorprendieron al ver que la resistividad de la monocapa de ditelluride de tungsteno comenzó a oscilar a medida que aumentaba el campo magnético, el comportamiento distintivo de un metal.

"Esto fue una sorpresa completa", dijo. "Nos preguntamos: '¿Qué está pasando aquí?' Todavía no lo entendemos completamente".

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Oscilación cuántica

Los físicos descubrieron la oscilación cuántica hace casi un siglo. Los metales suelen tener baja resistividad: sus electrones más externos no están estrechamente unidos dentro de sus átomos padres,por lo que los metales permiten que los electrones móviles fluyan y conduzcan la corriente eléctrica.

En los primeros experimentos, los investigadores exponían un metal a un campo magnético a temperaturas súper bajas, y encontraron que la resistividad del material aumentaría primero y luego comenzaría a cambiar entre niveles más altos y más bajos.

Ahora se sabe que un campo magnético lo suficientemente fuerte hace que los electrones en un metal cambien entre su estado clásico normal y sus estados mecánicos cuánticos circulares, causando las oscilaciones en la resistividad del metal; y las oscilaciones cuánticas se han convertido en una herramienta estándar para caracterizar muchas de las propiedades de los metales, dijo Wu.

Por el contrario, los electrones en materiales aislantes no pueden moverse, por lo que no conducen bien la corriente eléctrica y tienen muy alta resistividad. Los aislantes generalmente no muestran oscilaciones cuánticas, no importa cuán fuerte sea el campo magnético.

Así que las oscilaciones cuánticas observadas en la monocapa supuestamente aislante de ditelluride de tungsteno fueron inesperadas, dijo Wu.

Aunque el material tenía alta resistividad, comenzó a oscilar entre niveles de resistividad más altos y más bajos a medida que aumentaba la fuerza del campo magnético. Esa oscilación indicaba que los electrones del material se estaban desplazando a fases cuantificadas causadas por el campo magnético, una propiedad fundamental de un metal, pero en un fuerte aislante, dijo.

Nuevo asunto

La física moderna no explica el descubrimiento, dijo Wu, y él y su equipo presumen que las oscilaciones observadas son causadas por una forma previamente desconocida de materia cuántica.

Creen que las oscilaciones cuánticas podrían explicarse por "cuasipartículas", nunca antes vistas, que surgen de los electrones fijos cuando la monocapa de ditelluride de tungsteno está expuesta a un campo magnético lo suficientemente fuerte. Y sugieren que esta cuasipartícula es un "fermion neutro", el equivalente a un electrón, pero sin una carga eléctrica.

Los fermiones cargados normalmente son electrones cargados negativamente o los "agujeros" cargados positivamente que se perciben como el flujo de corriente en un metal — los electrones en realidad fluyen en la dirección opuesta a la corriente.

Pero los investigadores piensan que sus fermiones neutros podrían existir y ser móviles en un aislante, causando interacciones entre una corriente y las partículas neutrales que emergen de los electrones fijos que pueden ser detectados como oscilaciones cuánticas.

"Aquí los fermiones neutrales en materia de carga son una partícula emergente, debido al comportamiento colectivo de un sistema de muchos electrones que interactúa fuertemente", dijo Wu. "Así que esta no es [una de las] partículas elementales en el Modelo Estándar", dijo, refiriéndose al modelo que gobierna el mundo a veces extraño de la física de partículas.

Ahora están planeando formas de probar su hipótesis de "fermiones neutros" en el ditelluride de tungsteno, y están buscando otros aislantes que también desarrollen oscilaciones cuánticas, dijo.

"Es difícil imaginar aplicaciones futuras en esta etapa, pero estoy seguro de que estará relacionada con nuestras futuras tecnologías cuánticas", dijo Wu. De la misma manera, "era difícil imaginar la electrónica moderna cuando se vio un electrón por primera vez".

El equipo de Wu preparó sus monocapas de ditelluride de tungsteno "afeitando" progresivamente una escama cada vez más delgada con cinta adhesiva regular.

Aunque suena simple, este llamado "método de cinta escocesa" se utiliza comúnmente para crear monocapas de materiales adecuados y condujo al descubrimiento de materiales "bidimensionales" como el grafeno, que fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010.

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