Nueva fase de la materia basada en la 'frustración' de partículas

Un equipo de físicos ha presentado en la revista una nueva fase de la materia. Llamado el "estado líquido de Bose quiral", abre un nuevo camino en el esfuerzo por comprender la naturaleza del mundo físico.

En condiciones cotidianas, la materia puede ser sólida, líquida o gaseosa. Pero a temperaturas cercanas al cero absoluto, cosas más pequeñas que una fracción de un átomo o que tienen estados de energía extremadamente bajos se ven muy diferentes.

"Uno encuentra estados cuánticos de la materia en estas franjas", dice en un comunicado Tigran Sedrakyan, profesor en la Universidad de Massachusetts y autor del estudio, "y son mucho más salvajes que los tres estados clásicos que encontramos en nuestra vida cotidiana".

Sedrakyan ha pasado años explorando estos estados cuánticos salvajes, y está particularmente interesado en la posibilidad de lo que los físicos llaman "degeneración de bandas", "bandas de foso" o "frustración cinética" en la materia cuántica que interactúa fuertemente.

Por lo general, las partículas en cualquier sistema chocan entre sí y, al hacerlo, provocan efectos predecibles, como bolas de billar que chocan entre sí y luego reaccionan en un patrón predecible. En otras palabras, los efectos y las partículas están correlacionados. Pero en un sistema cuántico frustrado, existen infinitas posibilidades que se derivan de la interacción de las partículas (quizás la bola de billar levita o se aleja en un ángulo imposible) y algunas de estas infinitas posibilidades pueden conducir a nuevos estados cuánticos.

Lo que han hecho Sedrakyan y sus colegas es diseñar una 'máquina de frustración': un dispositivo semiconductor bicapa. La capa superior es rica en electrones y estos electrones pueden moverse libremente. La capa inferior está llena de "agujeros" o lugares que puede ocupar un electrón errante. Luego, las dos capas se acercan mucho: un acercamiento interatómico.

Si el número de electrones en la capa superior y los agujeros en la capa inferior fueran iguales, entonces esperaría ver las partículas actuando de manera correlacionada, pero Sedrakyan y sus colegas diseñaron la capa inferior para que haya un desequilibrio local entre el número de electrones y huecos en la capa inferior. "Es como un juego de sillas", dice Sedrakyan, "diseñado para frustrar a los electrones. En lugar de que cada electrón tenga una silla a la que ir, ahora deben revolverse y tener muchas posibilidades en donde 'sentarse'".

Esta frustración inicia el nuevo estado de borde quiral, que tiene una serie de características sorprendentes. Por ejemplo, si enfría la materia cuántica en un estado quiral hasta el cero absoluto, los electrones se congelan en un patrón predecible, y las partículas emergentes de carga neutra en este estado girarán en sentido horario o antihorario. Incluso si golpea otra partícula en uno de estos electrones, o introduce un campo magnético, no puede alterar su giro: es sorprendentemente robusto e incluso puede usarse para codificar datos digitales con tolerancia a fallos.

Aún más sorprendente es lo que sucede cuando una partícula exterior choca contra una de las partículas en el estado de borde quiral. Volviendo a la metáfora de la bola de billar, se esperaría que la bola ocho saliera volando cuando la bola blanca la golpeara. Pero si las bolas de billar estuvieran en un estado líquido de Bose quiral, las 15 reaccionarían exactamente de la misma manera cuando se golpeara la bola ocho. Este efecto se debe al entrelazamiento de largo alcance presente en este sistema cuántico.

Es difícil observar el estado líquido de Bose quiral, por lo que ha permanecido oculto durante tanto tiempo. Para hacerlo, el equipo de científicos, incluidos los físicos teóricos Rui Wang y Baigeng Wang (ambos de la Universidad de Nanjing), así como los físicos experimentales Lingjie Du (Universidad de Nanjing) y Rui-Rui Du (Universidad de Pekín) diseñaron una teoría y un experimento que usó un campo magnético extremadamente fuerte que es capaz de medir los movimientos de los electrones.

"En el borde de la bicapa de semiconductores, los electrones y los huecos se mueven con las mismas velocidades", dice Lingjie Du. "Esto conduce a un transporte de tipo helicoidal, que puede ser modulado aún más por campos magnéticos externos a medida que los canales de electrones y huecos se separan gradualmente bajo campos más altos".

Por lo tanto, los experimentos de magnetotransporte revelan con éxito la primera evidencia del líquido de Bose quiral, que los autores también llaman "orden topológico excitónico" en el artículo publicado.