Predicen la existencia de nuevas partículas cuánticas

Impronta energética que caracteriza una de las nuevas partículas predichas en el sólido

Un equipo internacional de investigadores, con participación del Donostia International Physics Center, plantea que existen nuevos tipos de partículas cuánticas con propiedades "exóticas e interesantes" en materiales sólidos. El trabajo supone una nueva vía para estudiar los materiales topológicos, un campo que ha modificado la forma de entender los estados de la materia, además de ofrecer aplicaciones en electrónica.

Un equipo internacional de investigadores liderado por un grupo de la Universidad de Princeton (EEUU) y que ha contado con la colaboración de investigadores del Donostia International Physics Center (DIPC) y del Instituto Max Planck de Química Física de Sólidos (Alemania), predice la existencia en algunos materiales de varios tipos de partículas cuánticas hasta ahora desconocidas.

Estas nuevas partículas poseen unas propiedades electrónicas que, a diferencia de otro tipo de partículas en cristales convencionales, están protegidas por la simetría interna del cristal, y se espera que presenten propiedades de transporte exóticas e interesantes.

El trabajo, publicado en la revista Science, supone la apertura de una nueva vía de estudio de la física de los llamados 'materiales topológicos', unos elementos en auge por sus especiales propiedades electrónicas, y cuyo descubrimiento hace unos pocos años ha modificado el modo en el que se entienden los estados de la materia.

La topología es la rama de las matemáticas que estudia qué propiedades de los cuerpos geométricos no cambian cuando los deformamos de manera suave. Siguiendo con esa analogía, los materiales topológicos son aquellos cuyas propiedades están definidas o ‘protegidas’ por la propia estructura y simetría del material o cristal, de tal forma que si no se modifica dicha estructura no es posible cambiar estas propiedades.

En este estudio los investigadores afirman que los materiales en los que aparecen las nuevas partículas predichas, son en muchos casos metales protegidos topológicamente. Es decir, son metales con una conductividad eléctrica muy robusta, que no se vuelven aislantes bajo prácticamente ninguna circunstancia.

Las nuevas partículas predichas pertenecen al grupo de los llamados fermiones, caracterizados por tener un espín o momento de giro intrínseco semientero, igual que los electrones. Hasta hace poco se pensaba que se habían descubierto y clasificado todos los tipos de fermiones posibles en la naturaleza, incluidos los tres tipos sin hueco, unas partículas cuánticas exóticas que no tienen salto de energía entre los estados ocupados y los libres, lo que supone que pueden transportar corriente.

La física de la materia condensada había permitido observar experimentalmente en cristales estos tipos de fermiones, sin necesidad de grandes aceleradores de partículas y altas energías. Ahora habrá que añadir a la lista unos cuantos más.

Predecir sin cálculos

En este trabajo no solamente han predicho la existencia de nuevos tipos de partículas cuánticas en sólidos, sino que además han desarrollado un método sistemático y muy sencillo para predecir y encontrar metales en la naturaleza, según la investigadora Maia G. Vergniory, Fellow Gipuzkoa del DIPC.

Las posibles combinaciones de materiales posibles son infinitas, y uno no puede permitirse el ir construyéndolas y probándolas en un laboratorio todas una a una. Hasta ahora, la alternativa pasaba por realizar cálculos teóricos detallados de su estructura electrónica.

ero, según Vergniory, es posible "contar los electrones del cristal, y basándonos en su estructura y simetría, deducir si vamos a encontrar y observar uno de estos fermiones y si estamos ante un metal protegido o no". Precisamente la simetría del cristal es la clave para entender estas nuevas partículas cuánticas.

La combinación entre simetría, topología y ciencia de materiales, tal y como se ha visto en la predicción de las nuevas partículas, es probable que juegue un papel fundamental en la comprensión de los materiales topológicos, tanto metales como aislantes.

Los investigadores imaginan un futuro para la química-física cuántica en la que a partir de la fórmula química de un material, con solo mirar la simetría del cristal y contar los electrones de los elementos que componen ese material, y sin cálculos, se pueda saber si el material es un aislante topológico o metal protegido.

El campo de los materiales topológicos es uno de los campos más candentes y con mayor proyección de la física de materiales, del que se esperan grandes avances conceptuales y técnicos.

Referencia bibliográfica:

Barry Bradlyn, et al.: "Beyond Dirac and Weyl fermions: Unconventional quasiparticles in conventional crystals". Science 21 de julio de 2016. DOI: 10.1126/science.aaf5037

Fuente: Donostia International Physics Center (DIPC)