Un equipo de investigadores ha observado algo que los físicos sólo habían teorizado: una cuasipartícula que se comporta como si tuviera masa cuando se mueve en una dirección y pierde masa cuando se mueve en otra.
Esta peculiar partícula, llamada fermión semi-Dirac, fue predicha por primera vez hace 16 años. Ahora, se ha descubierto dentro de un cristal semimetálico de sulfuro de silicio y circonio (ZrSiS). El descubrimiento podría allanar el camino para innovaciones en campos que van desde la tecnología de baterías hasta sensores avanzados.
Yinming Shao, físico de Penn State y autor principal del estudio, admitió que el descubrimiento fue todo menos planeado. “Ni siquiera estábamos buscando un fermión semi-Dirac cuando comenzamos a trabajar con este material”, dijo. “Estábamos viendo señales que no entendíamos, y resulta que habíamos hecho la primera observación de estas cuasipartículas salvajes que a veces se mueven como si tuvieran masa y a veces se mueven como si no la tuvieran”.
Una cuasipartícula salvaje
Las partículas como los fotones, que forman la luz, se consideran sin masa porque se mueven a la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad especial de Einstein explica este fenómeno. Cualquier cosa que se mueva tan rápido no puede tener masa. Pero las cosas se complican cuando se consideran los materiales sólidos.
Dentro de estos materiales, los comportamientos colectivos de muchas partículas crean lo que los físicos llaman cuasipartículas. Estas cuasipartículas pueden imitar partículas reales, pero a menudo con propiedades que desafían la intuición cotidiana. Estas “partículas” no son partículas reales e independientes, pero se comportan como si lo fueran. Por ejemplo, la forma en que los electrones se mueven juntos puede crear una cuasipartícula que actúa como si no tuviera masa o se mueve más rápido que cualquier electrón individual. Por lo tanto, las cuasipartículas ayudan a los científicos a comprender comportamientos complejos en sólidos, lo que facilita el estudio de cosas como la electricidad, el magnetismo y los nuevos materiales para la tecnología.
El fermión semi-Dirac es un ejemplo de ello. Los investigadores predijeron por primera vez en 2008 y 2009 que estas cuasipartículas podían cambiar entre estados masivos y sin masa según la dirección en la que viajaban.
Shao y sus colegas utilizaron una poderosa técnica llamada espectroscopia magneto-óptica. Esto implica proyectar luz infrarroja sobre un material bajo un campo magnético fuerte y analizar cómo se refleja la luz. Llevaron a cabo su experimento en el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos en Florida, donde hay un imán 900.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra.
Con masa o sin masa, según la trayectoria
Para detectar los fermiones semi-Dirac, el equipo enfrió un cristal de ZrSiS a -269°C (apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto) y lo sometió al colosal campo magnético del laboratorio. Luego bombardearon el cristal con luz infrarroja y observaron cómo se comportaban los electrones dentro del material.
Lo que vieron desafió las expectativas. En lugar de que los electrones siguieran el patrón de energía típico dictado por su masa, se comportaron de manera diferente. Este patrón inusual de niveles de energía de los electrones coincidía con una predicción teórica conocida como la ley de potencia B2/3, una característica de los fermiones semi-Dirac.
Shao comparó el movimiento de las cuasipartículas con trenes sobre vías que se cruzan. “Imaginemos que la partícula es un tren diminuto confinado en una red de vías, que son la estructura electrónica subyacente del material”, explicó. “Ahora, en ciertos puntos las vías se cruzan. Nuestro tren de partículas se mueve a lo largo de su vía rápida, a la velocidad de la luz, pero luego llega a una intersección y necesita cambiar a una vía perpendicular. De repente, experimenta resistencia, tiene masa”.
Esta peculiaridad direccional le da a los fermiones semi-Dirac su extraña naturaleza dual. A lo largo de una trayectoria, se deslizan sin esfuerzo como los fotones. Gírelos en otra dirección y avanzan torpemente como si estuvieran lastrados por la masa.
Desbloqueo de un nuevo potencial
ZrSiS, el material en el que se encontraron estas cuasipartículas, es un semimetal estratificado. El fermión semidirac tiene similitudes con el grafito, el mismo material de carbono que se usa en los lápices. Cuando se pela el grafito hasta obtener una sola capa de átomos, se convierte en grafeno, que tiene propiedades increíbles para su uso en electrónica, baterías y sensores.
Shao cree que existe el mismo potencial para el ZrSiS. “Una vez que podamos descubrir cómo tener un corte de una sola capa de este compuesto, podremos aprovechar el poder de los fermiones semidirac”, dijo. “Podremos controlar sus propiedades con la misma precisión que el grafeno”.
Sin embargo, el descubrimiento trae consigo nuevos enigmas. “La parte más emocionante de este experimento es que los datos aún no se pueden explicar por completo”, dijo Shao. “Hay muchos misterios sin resolver en lo que observamos, así que eso es lo que estamos tratando de entender”.
El fermión semidirac puede haber tardado mucho en llegar, pero sus implicaciones recién están comenzando a revelarse. Ya sea que conduzca a sensores de próxima generación o mejores sistemas de almacenamiento de energía, una cosa está clara: en el mundo cuántico, cuanto más miras, más extrañas se vuelven las cosas.
Los hallazgos fueron publicados recientemente en Physical Review X.
Fuente: ZME Science.
