Nueva clase de partículas capaz de impulsar la mecánica cuántica

Investigadores de la Universidad de Brown han observado una nueva clase de partículas que puede conducir a nuevas formas de explorar fenómenos cuánticos, con implicaciones en tecnología y computación.

En concreto, tal y como se publica en 'Nature', se trata de los llamados excitones fraccionarios, que se comportan de maneras inesperadas y podrían ampliar significativamente la comprensión de los científicos del reino cuántico. "Nuestros hallazgos apuntan hacia una clase completamente nueva de partículas cuánticas que no tienen carga total, pero siguen estadísticas cuánticas únicas", cometa Jia Li, profesor asociado de física en Brown.

"Lo más emocionante es que este descubrimiento abre una gama de nuevas fases cuánticas de la materia, presentando una nueva frontera para futuras investigaciones, profundizando nuestra comprensión de la física fundamental e incluso abriendo nuevas posibilidades en la computación cuántica", añade en un comunicado.

El descubrimiento del equipo se centra en un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fraccional, que se basa en el efecto Hall clásico, en el que se aplica un campo magnético a un material con una corriente eléctrica para crear un voltaje lateral. El efecto Hall cuántico, que se produce a temperaturas extremadamente bajas y campos magnéticos elevados, muestra que este voltaje lateral aumenta en saltos claros y separados. En el efecto Hall cuántico fraccional, estos pasos se vuelven aún más peculiares, ya que aumentan solo en cantidades fraccionarias, transportando una fracción de la carga de un electrón.

En sus experimentos, los investigadores construyeron una estructura con dos capas delgadas de grafeno, un nanomaterial bidimensional, separadas por un cristal aislante de nitruro de boro hexagonal. Esta configuración les permitió controlar cuidadosamente el movimiento de las cargas eléctricas. También les permitió generar partículas conocidas como excitones, que se forman al combinar un electrón y la ausencia de un electrón, conocida como agujero.

Luego expusieron el sistema a campos magnéticos increíblemente fuertes, millones de veces más fuertes que los de la Tierra. Esto ayudó al equipo a observar los nuevos excitones fraccionales, que mostraron un conjunto inusual de comportamientos.

Las partículas fundamentales suelen clasificarse en dos categorías. Los bosones son partículas que pueden compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que muchas de ellas pueden coexistir sin restricciones. Los fermiones, por otra parte, siguen lo que se conoce como el principio de exclusión de Pauli, que dice que no pueden existir dos fermiones en el mismo estado cuántico.

Sin embargo, los excitones fraccionales observados en el experimento no encajaban perfectamente en ninguna de las dos categorías. Si bien tenían las cargas fraccionales esperadas en el experimento, su comportamiento mostraba tendencias tanto de bosones como de fermiones, actuando casi como un híbrido de los dos. Eso los hacía más parecidos a los anyones, un tipo de partícula que se encuentra entre los fermiones y los bosones; sin embargo, los excitones fraccionales tenían propiedades únicas que también los diferenciaban de los anyones.

"Este comportamiento inesperado sugiere que los excitones fraccionarios podrían representar una clase completamente nueva de partículas con propiedades cuánticas únicas", argumenta Zhang. "Mostramos que los excitones pueden existir en el régimen Hall cuántico fraccionario y que algunos de estos excitones surgen del emparejamiento de partículas cargadas fraccionariamente, creando excitones fraccionarios que no se comportan como bosones".

La existencia de una nueva clase de partículas podría algún día ayudar a mejorar la forma en que se almacena y manipula la información a nivel cuántico, lo que conduciría a computadoras cuánticas más rápidas y confiables, señala el equipo de invetigadores. "Básicamente, hemos abierto una nueva dimensión para explorar y manipular este fenómeno, y apenas estamos empezando a arañar la superficie", destaca Li. "Esta es la primera vez que demostramos experimentalmente que este tipo de partículas existen, y ahora estamos profundizando en lo que podría surgir de ellas".

Los próximos pasos del equipo implicarán estudiar cómo interactúan estos excitones fraccionarios y si se puede controlar su comportamiento. "Parece que estamos dando con el dedo en el botón de la mecánica cuántica. Es un aspecto de la mecánica cuántica que no conocíamos o, al menos, no apreciábamos hasta ahora", finalizan los investigadores.