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| Un equipo dirigido por físicos de Princeton ha descubierto un sorprendente fenómeno cuántico en un aislante atómicamente delgado hecho de diteluro de tungsteno. Los resultados sugieren la formación de tipos completamente nuevos de fases cuánticas que antes estaban ocultas en los aislantes. Crédito: Imagen diseñada por Kai Fu para el Wu Lab, Universidad de Princeton |
Cuantificación de Landau y fermiones altamente móviles en un aislante
En un descubrimiento sorprendente, los físicos de Princeton han observado un comportamiento cuántico inesperado en un aislante hecho de un material llamado ditelururo de tungsteno. Este fenómeno, conocido como oscilación cuántica, suele observarse en los metales y no en los aislantes, y su descubrimiento ofrece nuevas perspectivas en nuestra comprensión del mundo cuántico. Los hallazgos también apuntan a la existencia de un tipo completamente nuevo de partícula cuántica.
El descubrimiento pone en tela de juicio una distinción que se ha mantenido durante mucho tiempo entre metales y aislantes, ya que en la teoría cuántica establecida de los materiales, se pensaba que los aislantes no podían experimentar oscilaciones cuánticas.
"Si nuestras interpretaciones son correctas, estamos ante una forma fundamentalmente nueva de materia cuántica", afirma Sanfeng Wu, profesor adjunto de física de la Universidad de Princeton y autor principal de un artículo publicado recientemente en Nature que detalla este nuevo descubrimiento. "Ahora imaginamos un mundo cuántico totalmente nuevo oculto en los aislantes. Es posible que simplemente no los hayamos identificado en las últimas décadas".
La observación de las oscilaciones cuánticas se ha considerado durante mucho tiempo un sello distintivo de la diferencia entre los metales y los aislantes. En los metales, los electrones son muy móviles y la resistividad -la resistencia a la conducción eléctrica- es débil. Hace casi un siglo, los investigadores observaron que un campo magnético, unido a temperaturas muy bajas, puede hacer que los electrones pasen de un estado "clásico" a un estado cuántico, provocando oscilaciones en la resistividad del metal. En los aislantes, en cambio, los electrones no pueden moverse y los materiales tienen una resistividad muy alta, por lo que no se espera que se produzcan oscilaciones cuánticas de este tipo, independientemente de la intensidad del campo magnético aplicado.
El descubrimiento se produjo cuando los investigadores estudiaban un material llamado ditelururo de tungsteno, que convirtieron en un material bidimensional. Prepararon el material utilizando cinta adhesiva estándar para exfoliar o "afeitar" cada vez más las capas hasta llegar a lo que se denomina una monocapa, es decir, una capa de un solo átomo de grosor. El ditelururo de tungsteno grueso se comporta como un metal. Pero una vez que se convierte en una monocapa, se convierte en un aislante muy fuerte.
"Este material tiene muchas propiedades cuánticas especiales", dijo Wu.
Los investigadores se dispusieron a medir la resistividad de la monocapa de ditelururo de tungsteno bajo campos magnéticos. Para su sorpresa, la resistividad del aislante, a pesar de ser bastante grande, empezó a oscilar al aumentar el campo magnético, lo que indica el paso a un estado cuántico. En efecto, el material -un aislante muy fuerte- mostraba la propiedad cuántica más notable de un metal.
"Esto nos sorprendió por completo", dijo Wu. "Nos preguntamos: '¿Qué está pasando aquí? Todavía no lo entendemos del todo".
Wu señaló que no existen teorías actuales para explicar este fenómeno.
No obstante, Wu y sus colegas han propuesto una hipótesis provocadora: una forma de materia cuántica con carga neutra. "Debido a unas interacciones muy fuertes, los electrones se organizan para producir este nuevo tipo de materia cuántica", dijo Wu.
Pero, en última instancia, ya no son los electrones los que oscilan, dijo Wu. En su lugar, los investigadores creen que nuevas partículas, que han bautizado como "fermiones neutros", nacen de estos electrones que interactúan fuertemente y son responsables de crear este efecto cuántico tan notable.
Los fermiones son una categoría de partículas cuánticas que incluyen a los electrones. En los materiales cuánticos, los fermiones cargados pueden ser electrones cargados negativamente o "agujeros" cargados positivamente que son responsables de la conducción eléctrica. Es decir, si el material es un aislante eléctrico, estos fermiones cargados no pueden moverse libremente. Sin embargo, las partículas neutras -es decir, sin carga negativa ni positiva- sí pueden estar presentes y moverse en un aislante.
"Nuestros resultados experimentales entran en conflicto con todas las teorías existentes basadas en los fermiones cargados", dijo Pengjie Wang, coprimer autor del artículo e investigador postdoctoral asociado, "pero podrían explicarse en presencia de fermiones de carga neutra".
El equipo de Princeton tiene previsto seguir investigando las propiedades cuánticas del diteluro de tungsteno. Están especialmente interesados en descubrir si su hipótesis -sobre la existencia de una nueva partícula cuántica- es válida.
"Esto es sólo el punto de partida", dijo Wu. "Si estamos en lo cierto, futuros investigadores encontrarán otros aislantes con esta sorprendente propiedad cuántica".
A pesar de lo novedoso de la investigación y de la interpretación provisional de los resultados, Wu especuló sobre cómo se podría dar un uso práctico a este fenómeno.
"Es posible que los fermiones neutros puedan utilizarse en el futuro para codificar información que sería útil en la computación cuántica", dijo. "Mientras tanto, sin embargo, todavía estamos en las primeras etapas de la comprensión de los fenómenos cuánticos como éste, por lo que hay que hacer descubrimientos fundamentales".
Fuentes, créditos y referencias:
Referencia: "Landau quantization and highly mobile fermions in an insulator" por Pengjie Wang, Guo Yu, Yanyu Jia, Michael Onyszczak, F. Alexandre Cevallos, Shiming Lei, Sebastian Klemenz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Robert J. Cava, Leslie M. Schoop y Sanfeng Wu, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-03084-9
Creditos a SciTechDaily