Primera medición de la curvatura del espacio que ocupan los electrones

Por primera vez se ha medido el espín de los electrones en la materia, es decir, la curvatura del espacio en el que viven y se mueven los electrones.

Esta medición pionera de un equipo de investigación internacional, que se presenta en Nature Physics, se ha producido dentro de los denominados "materiales kagome", una nueva clase de materiales cuánticos.

Los resultados obtenidos, publicados en Nature Physics, podrían revolucionar la forma en que se estudian los materiales cuánticos en el futuro, abriendo la puerta a nuevos desarrollos en tecnologías cuánticas, con posibles aplicaciones en una variedad de campos tecnológicos, desde energías renovables hasta biomedicina, desde electrónica hasta computadoras cuánticas.

El éxito se logró gracias a una colaboración internacional de científicos, con participación de la Universidad de Bolonia y otras italianas, junto con la Universidad de Wurzburg, en Alemania, la de St. Andrews, en Escocia, y la de Santa Bárbara (EE.UU.).

A través de técnicas experimentales avanzadas, usando la luz generada por un acelerador de partículas, el Sincrotrón, y gracias a técnicas modernas para modelar el comportamiento de la materia, los académicos pudieron medir por primera vez el espín de los electrones, relacionado con el concepto de topología.

"Si tomamos dos objetos como una pelota de fútbol y una rosquilla, notamos que sus formas específicas determinan diferentes propiedades topológicas, por ejemplo, la rosquilla tiene un agujero mientras que la pelota de fútbol no", explica el profesor de la Universidad de Bolonia Domenico Di Sante, autor de la investigación.

"Del mismo modo, el comportamiento de los electrones en los materiales está influenciado por ciertas propiedades cuánticas que determinan su 'giro' o espín en la materia en la que se encuentran, de forma similar a como la trayectoria de la luz en el universo se ve modificada por la presencia de estrellas, agujeros negros, la materia y la energía oscuras, que doblan el tiempo y el espacio".

Aunque esta característica de los electrones se conoce desde hace muchos años, nadie hasta ahora había podido medir directamente este "giro topológico". Para lograr esto, los investigadores explotaron un efecto particular conocido como "dicroísmo circular": una técnica experimental especial que solo puede usarse con una fuente de sincrotrón, que explota la capacidad de los materiales para absorber la luz de manera diferente según su polarización.

Los académicos se han centrado especialmente en los "materiales kagome", una clase de materiales cuánticos que deben su nombre a su parecido con el tejido de hilos de bambú entretejidos que forman una canasta japonesa tradicional (llamada, de hecho, "kagome"). Estos materiales están revolucionando la física cuántica y los resultados obtenidos podrían ayudarnos a conocer mejor sus especiales propiedades magnéticas, topológicas y superconductoras.

"Estos importantes resultados fueron posibles gracias a una fuerte sinergia entre la práctica experimental y el análisis teórico", añade Di Sante. "Los investigadores teóricos del equipo emplearon simulaciones cuánticas sofisticadas, solo posibles con el uso de supercomputadoras poderosas, y de esta manera guiaron a sus colegas experimentales al área específica del material donde se podía medir el efecto de dicroísmo circular".