Vista por primera vez una partícula que solo tiene masa cuando se mueve en una dirección
Físicos observan por primera vez una cuasipartícula llamada fermión semi-Dirac, que tiene masa en una dirección pero no en otra, dentro de un cristal de ZrSiS. El hallazgo podría impulsar avances en tecnologías emergentes, como baterías y sensores.
Por Adrienne Berard
La cuasipartícula, llamada fermión semi-Dirac, se teorizó por primera vez hace dieciséis años, pero solo recientemente se descubrió dentro de un cristal de material semimetálico llamado ZrSiS. La observación de la cuasipartícula abre la puerta a futuros avances en una serie de tecnologías emergentes, desde baterías hasta sensores, según los investigadores que hicieron el descubrimiento. Crédito: Yinming Shao / Universidad Estatal de Pensilvania
Por primera vez, los científicos han observado una colección de partículas, también conocidas como cuasipartículas, que no tiene masa cuando se mueve en una dirección, pero tiene masa en la otra dirección. La cuasipartícula, llamada fermión semi-Dirac, se concibió teóricamente por primera vez hace dieciséis años, pero solo recientemente se descubrió dentro de un cristal de material semimetálico llamado ZrSiS.
La observación de la cuasipartícula abre la puerta a futuros avances en una serie de tecnologías emergentes, desde baterías hasta sensores, según el equipo de investigadores, liderado por expertos de la Penn State y la Universidad de Columbia, en Estados Unidos.
«Esto fue totalmente inesperado —dice Yinming Shao, profesor de Física en la Penn State y autor principal del artículo., que ha sido publicado en la revista Physical Review X. Y añade—: Ni siquiera estábamos buscando un fermión semi-Dirac cuando comenzamos a trabajar con este material, pero estábamos viendo firmas que no entendíamos, y resulta que habíamos hecho la primera observación de estas cuasipartículas salvajes, que a veces se mueven como que tienen masa y a veces se mueven como si no la tuvieran».
Partículas a la velocidad de la luz
Una partícula no puede tener masa cuando su energía se deriva enteramente de su movimiento, lo que significa que es esencialmente energía pura que viaja a la velocidad de la luz. Por ejemplo, un fotón o partícula de luz se considera sin masa porque se mueve a la velocidad de la luz. Según la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, cualquier cosa que viaje a la velocidad de la luz no puede tener masa.
En los materiales sólidos, el comportamiento colectivo de muchas partículas, también conocidas como cuasipartículas, puede tener un comportamiento diferente al de las partículas individuales, lo que en este caso dio lugar a partículas que tienen masa en una sola dirección, Según Shao.
Los fermiones semi-Dirac fueron teorizados por primera vez en 2008 y 2009 por varios equipos de investigadores, incluidos científicos de la Universidad Paris Sud, en Francia, y la Universidad de California en Davis, en Estados Unidos. Los teóricos predijeron que podría haber cuasipartículas con propiedades de cambio de masa dependiendo de su dirección de movimiento: que parecerían sin masa en una dirección, pero que tendrían masa cuando se movieran en otra.
Dieciséis años después, Shao y sus colaboradores observaron accidentalmente las hipotéticas cuasipartículas mediante un método llamado espectroscopia magnetoóptica. La técnica consiste en hacer brillar luz infrarroja sobre un material mientras está sujeto a un fuerte campo magnético y analizar la luz reflejada por el material. Shao y sus colegas querían observar las propiedades de las cuasipartículas dentro de cristales plateados de ZrSiS.
El equipo llevó a cabo sus experimentos en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, en Florida. El imán híbrido del laboratorio crea el campo magnético sostenido más potente del mundo, aproximadamente 900.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. El campo es tan fuerte que puede levitar objetos pequeños, como gotas de agua.
Los investigadores enfriaron una pieza de ZrSiS a -269 ºC, solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (−273.15 °C), la temperatura más baja posible, y luego la expusieron al poderoso campo magnético del laboratorio mientras la golpeaban con luz infrarroja, para ver qué revelaba sobre las interacciones cuánticas dentro del material.
«Estábamos estudiando la respuesta óptica, cómo los electrones dentro de este material responden a la luz, y luego estudiamos las señales de la luz para ver si hay algo interesante sobre el material en sí, sobre su física subyacente —explica Shao. Y continúa—: En este caso, vimos muchas características que esperaríamos en un cristal semimetálico, y luego sucedieron todas estas otras cosas que fueron absolutamente desconcertantes».
Como subir unas escaleras sin pequeños escalones de por medio
Cuando se aplica un campo magnético a cualquier material, los niveles de energía de los electrones dentro de ese material se cuantifican en niveles discretos llamados niveles de Landau, explica Shao. Los niveles solo pueden tener valores fijos, como subir unas escaleras sin pequeños escalones de por medio.
El espacio entre estos niveles depende de la masa de los electrones y la intensidad del campo magnético, por lo que a medida que aumenta el campo magnético, los niveles de energía de los electrones deberían aumentar en cantidades determinadas basadas enteramente en su masa, pero en este caso, no.
Utilizando el superimán de Florida, los investigadores observaron que la energía de las transiciones de nivel de Landau en el cristal ZrSiS seguía un patrón completamente diferente de dependencia de la intensidad del campo magnético. Hace años, los teóricos habían denominado a este patrón la ley de potencia B^(2/3), la firma clave de los fermiones semi-Dirac.
Para comprender el extraño comportamiento que observaron, los físicos experimentales se asociaron con físicos teóricos para desarrollar un modelo que describiera la estructura electrónica de ZrSiS. Se centraron específicamente en las vías por las que los electrones podrían moverse y cruzarse para investigar cómo los electrones dentro del material estaban perdiendo su masa cuando se movían en una dirección pero no en otra.
“Imagínate que la partícula es un pequeño tren confinado a una red de vías, que son la estructura electrónica subyacente del material. Y que las vías se cruzan en ciertos puntos, por lo que 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. Las partículas son todas energía o tienen masa dependiendo de la dirección de su movimiento a lo largo de las «pistas» del material”
El análisis del equipo mostró la presencia de fermiones semi-Dirac en los puntos de cruce. Específicamente, parecían sin masa cuando se movían en una trayectoria lineal, pero pasaban a tener masa cuando se movían en una dirección perpendicular.
En palabras de Shao, el ZrSiS es un material en capas, muy parecido al grafito, que está formado por lonchas de átomos de carbono que pueden exfoliarse hasta formar láminas de grafeno de un átomo de espesor. El grafeno es un componente fundamental en las tecnologías emergentes, incluidas baterías, supercondensadores, células solares, sensores y dispositivos biomédicos.
«Es un material en capas, lo que significa que una vez que podamos descubrir cómo cortar una sola capa de este compuesto, podemos aprovechar el poder de los fermiones semi-Dirac, controlar sus propiedades con la misma precisión que el grafeno —dice Shao. Y concluye—: Pero la parte más emocionante de este experimento es que los datos aún no se pueden explicar por completo. Hay muchos misterios sin resolver en lo que observamos, así que eso es lo que estamos trabajando para entender». ▪️
Información facilitada por la Penn State -Adaptación: Enrique Coperías
Fuente: Yinming Shao, Seongphill Moon, A. N. Rudenko, Jie Wang, Jonah Herzog-Arbeitman, Mykhaylo Ozerov, David Graf, Zhiyuan Sun, and Raquel Queiroz et al. Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal. Physical Review X (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041057
