Partícula desconocida del "Universo Material" no encaja en la teoría cuántica

Los investigadores teorizan que existe la partícula en un material conocido como ditelururo de tungsteno (WTe2), que los investigadores comparan a un «universo material» ya que contiene varias partículas, algunas de las cuales existen en las condiciones normales de nuestro universo y otras que puedan existir solamente en estos tipos especializados de cristales

«Aún más intrigante es la perspectiva de encontrar más partículas elementales en otros sistemas de materia condensada», dicen los investigadores. «¿Qué otra clase de partículas se puede ocultar en la variedad infinita de universos materiales? La gran variedad de fermiones emergentes en estos materiales sólo ha comenzado a ser desentrañado.»

El equipo de investigadores ha predicho la existencia de un nuevo tipo de partícula llamada fermión Weyl tipo II en materiales metálicos. Al ser sometidos a un campo magnético, los materiales que contienen la partícula actúan como aislantes para la corriente aplicada en algunas direcciones, y como conductores si la corriente es aplicada en otras direcciones.







«La imaginación de uno puede ir más allá y preguntarse si en la materia condensada pueden surgir partículas que son desconocidas para la teoría cuántica de campos relativista», dijo Bernevig. Hay razones para creer que sí, según dicen los investigadores. La investigación aparece en la revista Nature esta semana.

La nueva partícula es prima del fermión de Weyl, una de las partículas en la teoría cuántica estándar de campos. Sin embargo, las partículas de tipo II exhiben respuestas diferentes a los campos electromagnéticos, siendo un conductor perfecto en algunas direcciones del campo, y un aislante en otras.

La investigación fue dirigida por el profesor asociado de Física B. Andrei Bernevig la Universidad de Princeton, así como Matthias Troyer y Alexey Soluyanov de ETH Zurich, y Xi Dai del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias. El equipo incluyó a los investigadores postdoctorales asociados Zhijun Wang en Princeton y Quansheng Wu en la ETH Zurich, y el estudiante graduado Dominik Gresch en ETH Zurich.

La existencia de la partícula no fue considerada por el físico Hermann Weyl durante el desarrollo inicial de la teoría cuántica hace 85 años, dicen los investigadores, porque violaba una norma fundamental llamada simetría de Lorentz, que no se aplica en los materiales en los que surge el nuevo tipo de fermión.

Las partículas en nuestro universo son descritas por la teoría cuántica de campos relativista, que combina la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad de Einstein. Según esta teoría, los sólidos están formados de átomos que consisten en un núcleo rodeado de electrones. Debido a la gran cantidad de electrones que interactúan entre sí, no es posible resolver exactamente el problema del movimiento de muchos electrones en sólidos utilizando la teoría de la mecánica cuántica.

En cambio, nuestro conocimiento actual de los materiales se deriva de una perspectiva simplificada, en la que los electrones en los sólidos se describen en términos de partículas especiales que no interactúan, llamadas cuasi-partículas, que se mueven en el campo efectivo creado por entidades cargadas, llamadas iones y electrones. Estas cuasi-partículas, denominados electrones Bloch, también son fermiones.

Del mismo modo que los electrones son partículas elementales en nuestro universo, se puede considerar a los electrones Bloch las partículas elementales de un sólido. En otras palabras, el propio cristal se convierte en un «universo», con sus propias partículas elementales.

En los últimos años, los investigadores han descubierto que un «universo material» así puede albergar todas las demás partículas de la teoría cuántica de campos relativista. Tres de estas cuasi-partículas, los fermiones Dirac, Majorana y Weyl, fueron descubiertos en dichos materiales, a pesar de que los dos últimos habían sido esquivos en los experimentos, abriendo el camino para simular ciertas predicciones de la teoría cuántica de campos en experimentos relativamente baratos y a pequeña escala que se llevan a cabo en estos cristales de «materia condensada».

Estos cristales se pueden cultivar en el laboratorio, por lo que se puede hacer experimentos para buscar el fermión recién predicho en el WTe2 y otro material candidato, el ditelururo de molibdeno (MoTe2).

El universo descrito por la teoría cuántica de campos está sujeto a la rigurosa restricción de un determinado conjunto de reglas, o simetría, conocida como la simetría de Lorentz, que es característica de las partículas de alta energía. Sin embargo, la simetría de Lorentz no es aplicable en la materia condensada porque la típica velocidad de los electrones en los sólidos es muy pequeña en comparación con la velocidad de la luz, lo cual convierte a la física de la materia condensada en una teoría de inherente baja energía.

«Uno puede preguntarse», dijo Soluyanov, «si es posible que algunos universos materiales acojan partículas ‘elementales’ no relativistas que no cumplen la simetría de Lorentz».

Esta pregunta fue respondida positivamente por el trabajo de la colaboración internacional. El trabajo comenzó cuando Soluyanov y Dai visitaban Bernevig en Princeton, en noviembre de 2014, y la discusión se volvió hacia extraños comportamientos inesperados de ciertos metales en los campos magnéticos (Nature 514, 205-208, 2014, doi:10.1038/nature13763). Este comportamiento ya había sido observado por los experimentadores en algunos materiales, pero se necesita más trabajo para confirmar que está vinculado a la nueva partícula.

Los investigadores encontraron que mientras que la teoría relativista sólo permite que exista una única especie de fermiones Weyl, en los sólidos de materia condensada son posibles dos fermiones Weyl físicamente distintos. El fermión Weyl estándar, o Tipo-I, tiene sólo dos posibles estados en los que puede permanecer en energía cero, similar a los estados de un electrón, que pueden ser espín-arriba o espín-abajo. La densidad de los estados en energía cero es cero, y el fermión es inmune a muchos efectos termodinámicos interesantes. Existe este fermión Weyl en la teoría del campo relativista, y es el único permitido si se preserva la invariancia (simetría) de Lorentz.

El fermión Weyl tipo-2 predicho ahora tiene una cantidad termodinámica de estados en los que puede residir en energía cero, algo llamado superficie de Fermi. Su superficie de Fermi es exótica, en la que aparece con puntos de contacto entre los bolsillos de electrones y de huecos. Esto dota al nuevo fermión con una escala, una densidad finita de estados que rompe la simetría de Lorentz.

El descubrimiento se abre en muchas nuevas direcciones. La mayoría de los metales normales exhiben un aumento en la resistividad cuando se someten a campos magnéticos, un efecto conocido que se utiliza en muchas tecnologías actuales. La reciente predicción y la realización experimental de fermiones estándar Tipo-I Weyl en semimetales realizada por dos grupos en Princeton y un grupo de la PIO Beijing mostraron que la resistividad en realidad puede disminuir si el campo eléctrico se aplica en la misma dirección que el campo magnético, un efecto llamado magnetorresistencia longitudinal negativa. El nuevo trabajo muestra que los materiales que alojan un fermión Weyl tipo II han mezclado comportamientos: mientras que para algunas direcciones de los campos magnéticos la resistividad aumenta, al igual que en los metales normales, para otras direcciones de los campos la resistividad puede disminuir al igual que en los metaloides Weyl, ofreciendo posibles aplicaciones tecnológicas.

Fuente: Daily Galaxy. Aportado por Eduardo J. Carletti

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