Un misterioso estado de la materia, que le lleva a comportarse como un superfluido, como un superconductor o incluso como un cristal electrónico aislante, ha sido confirmado por primera vez después de más de 50 años de especulaciones teóricas. El nuevo estado se llama excitonium, se produce en semiconductores y aislantes y puede revolucionar las tecnologías actuales.
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| El artífice del descubrimiento, el físico Peter Abbamonte (en el centro) con los estudiantes Anshul Kogar (derecha) and Mindy Rak (izquierda) en el Frederick Seitz Materials Research Laboratory. Credit: L. Brian Stauffer, University of Illinois at Urbana-Champaign. |
Un equipo internacional de investigadores ha confirmado la existencia del excitonium, un extraño y misterioso tipo de materia que fue propuesto por Yakov Frenkel en 1931. El excitonium está formado por unas partículas llamadas excitones.
Yakov Frenkel (1894-1952) fue un físico soviético especializado en la física de la materia condensada, una rama de la Física que se ocupa de las características físicas macroscópicas de la materia. En particular, esta rama de la Física se ocupa de las fases “condensadas” que aparecen siempre cuando el número de constituyentes en un sistema es extremadamente grande, y en el que las interacciones entre los componentes son fuertes.
Frenkel describió la excitación de los átomos en una red de aisladores y propuso que este estado excitado de la materia sería capaz de viajar de una manera similar a las partículas a través de la red sin transferencia neta de carga. En la década de 1960, el físico teórico de Harvard, Bert Halperin, teorizó de nuevo sobre la existencia de este posible estado de la materia y para denominarlo acuñó el término excitonium por primera vez en la historia. Ahora se ha confirmado experimentalmente su existencia.
Un excitón es un tipo de bosón, uno de los dos tipos básicos de partículas elementales. Es una cuasipartícula (o excitación elemental) de los sólidos formada por un electrón y un hueco ligados a través de la interacción coulombiana (según la ley de Coulomb). Se da únicamente en semiconductores y aislantes.
El excitón se forma cuando un fotón alcanza a un semiconductor y excita a uno de sus electrones. El electrón deja tras de sí un hueco que se comporta como si fuera una partícula, con el que interacciona el electrón y al que queda vinculado.
El sistema que resulta de dicho vínculo es el nuevo estado de la materia llamado excitonium, que permite que la materia actúe como un superfluido, como un superconductor o incluso como un cristal electrónico aislante. Los resultados se publican en la revista Science.
El descubrimiento se produjo analizando calcogenuros de metales de transición, llenos de electrones. Los calcogenuros son una serie de compuestos químicos. Observando estos metales los científicos confirmaron por primera vez la existencia de los excitones. Y lo pudieron comprobar hasta cinco veces consecutivas y por separado, según se informa en un comunicado.
Mejores herramientas
Hasta ahora, los científicos no tenían las herramientas necesarias para comprobar su existencia, para distinguir un excitón entre un conjunto de otras partículas. Con las nuevas tecnologías, han podido finalmente medir por primera vez y de manera definitiva las excitaciones colectivas de partículas bosónicas de baja energía, de los electrones interactuando con sus huecos, independientemente de su dinamismo.
La primera observación del precursor de la condensación del excitón se produjo en una fase de plasmón suave que surgió cuando el material se acercó a la temperatura de 190º Kelvin. Un plasmón es un cuanto de oscilación del plasma. El plasmón del experimento es una prueba contundente de la existencia del excitón en un sólido tridimensional. Y además, es la primera evidencia definitiva del descubrimiento del excitón.
Ahora que se ha probado su existencia y que ha sido observado experimentalmente, sus propiedades pueden ser exploradas en detalle y aplicadas. Los investigadores ya están analizando las posibles aplicaciones de este descubrimiento.
Como supraconductor y superfluido, este material podría usarse para hacer avanzar muchas de las tecnologías actuales, aunque de momento estas aplicaciones posibles son meramente especulativas. Los investigadores confían además que este descubrimiento podrá dilucidar algunos de los misterios que encierra todavía la mecánica cuántica.
Referencia Bibliográfica:
Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide. Science 08 Dec 2017: Vol. 358, Issue 6368, pp. 1314-1317. DOI: 10.1126/science.aam6432
Fuente: T21
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