Las cuasipartículas que se aprecian con masa al movilizarse en un sentido y sin masa al hacerlo en el sentido contrario se teorizaron hace 16 años: es la primera vez que logran observarse directamente
La misteriosa cuasipartícula fue observada en el punto de cruce de dos caminos de energía. / Créditos: Shao et al., Physical Review X, 2024.
Redacción T21
16 DIC 2024
Los científicos han identificado cuasipartículas que únicamente tienen una masa efectiva cuando se mueven en una dirección específica. Al moverse en otro sentido, "desaparecen" en términos físicos y su masa no puede medirse. Aunque los investigadores reconocen que muchos aspectos de este fenómeno no pueden aún ser explicados y constituyen un misterio, los hallazgos podrían tener importantes aplicaciones en campos como la física cuántica y los sensores electrónicos.
Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Columbia, en Estados Unidos, han logrado observar por primera vez los denominados fermiones Semi-Dirac: se trata de misteriosas partículas que se habían teorizado inicialmente en 2008, y que tienen la capacidad de contar con masa en una única dirección, presentándose sin masa al moverse en sentido contrario. Los importantes hallazgos relacionados con esta observación se resumen en un estudio publicado en la revista Physical Review X.
Extrañas e impredecibles
Los científicos saben que una partícula no puede tener masa cuando su energía se deriva completamente de su movimiento, o sea que es esencialmente energía pura que viaja a la velocidad de la luz. De esta manera, un fotón o partícula de luz se considera sin masa, porque se mueve precisamente a la velocidad de la luz.
Según Albert Einstein en su teoría de la relatividad especial, cualquier objeto que viaje a la velocidad de la luz no puede tener masa, es únicamente energía en movimiento. Sin embargo, en algunos materiales sólidos el comportamiento colectivo de muchas partículas, también conocidas como cuasipartículas, puede registrar una dinámica diferente al de las partículas individuales, dando lugar a partículas que tienen masa en una única dirección.
De acuerdo a una nota de prensa, los fermiones Semi-Dirac fueron teorizados por primera vez en 2008 y 2009 por varios equipos de investigadores en Francia y Estados Unidos. Los teóricos predijeron en ese momento que podrían existir cuasipartículas con propiedades de cambio de masa, dependiendo de su dirección de movimiento.
Primera observación directa
En otras palabras, esto significaría que aparecerían sin masa en una dirección, pero tendrían masa cuando se mueven en la dirección contraria. Ahora, el equipo liderado por el investigador Yinming Shao logró observar accidentalmente estas cuasipartículas hipotéticas, a través de un método llamado espectroscopia magneto-óptica.
La técnica implica la aplicación de luz infrarroja brillante en un material, mientras que la estructura se somete a un campo magnético fuerte y se procede al análisis de la luz reflejada por el material. Con ese esquema, Shao y sus colegas observaron las propiedades de las cuasipartículas dentro de cristales de color plateado empleados para este estudio.
"Ni siquiera estábamos buscando un fermión semi-Dirac cuando comenzamos a trabajar con este material, pero buscábamos firmas que no entendíamos. Luego comprobamos que esas firmas eran en realidad la primera observación de estas cuasipartículas, que a veces se mueven como si tuvieran masa y en otras ocasiones se presentan como si no la tuvieran", aclaró Shao en el comunicado.
Aplicaciones a futuro
El análisis del equipo mostró la presencia de fermiones semi-Dirac en los puntos de cruce. En concreto, parecían sin masa cuando se movían en un camino lineal, pero cambiaban a tener masa cuando se movían en una dirección perpendicular. Se utilizó un material llamado ZrSiS, que presenta capas al igual que el grafito.
Los investigadores creen que una vez que se pueda descubrir cómo cortar una sola capa de este compuesto, será posible aprovechar el poder de los fermiones semi-Dirac, controlando sus propiedades con la misma precisión que se ha conseguido con el grafito, de cuyas capas se extrae el grafeno, ampliamente utilizado en electrónica.
Según informa Science Alert, aunque los científicos concretaron esta primera observación aún quedan pendientes muchos aspectos que no tienen respuesta sobre el comportamiento de estas partículas. Más allá de esto, los hallazgos podrían tener aplicaciones prácticas en el futuro en el terreno de los dispositivos electrónicos o la física cuántica, entre otras áreas.
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Referencia
Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal. Yinming Shao et al. Physical Review X (2024). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041057
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Fuente:
