Un excitón es una partícula compuesta que surge cuando un electrón (carga negativa) se une a una "ausencia de electrón" llamada hueco (carga positiva).
El asombroso hallazgo de una nueva clase de "partículas" promete revolucionar la mecánica cuántica: los excitones fraccionarios marcan un hito innovador en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la física
Descubre los excitones fraccionarios: cuasipartículas revolucionarias que desafían las leyes fundamentales de la física cuántica.
Representación artística de excitones fraccionarios formándose entre dos capas de grafeno. Fuente: Jia Leo - Excitones fraccionarios
Eugenio M. Fernández Aguilar.
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 8.01.2025
La física cuántica no deja de sorprendernos. Desde el misterioso entrelazamiento de partículas hasta la capacidad de estas de estar en dos lugares al mismo tiempo, el mundo subatómico desafía nuestras intuiciones. Pero recientemente, un hallazgo realizado por físicos de la Universidad de Brown ha sacudido el campo con una propuesta completamente nueva: la existencia de excitones fraccionarios, cuasipartículas que no encajan en las categorías tradicionales de bosones o fermiones.
En declaraciones exclusivas para Muy Interesante, Jia Leo Li, investigador principal del estudio, afirmó: "El descubrimiento de los excitones fraccionarios marca un hito innovador en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la física". Este hallazgo abre una puerta hacia fases de la materia desconocidas y promete revolucionar nuestra comprensión de los fenómenos cuánticos. Pero, ¿qué son exactamente estas partículas y por qué generan tanto entusiasmo entre los físicos?
¿Qué son los excitones y por qué este descubrimiento es diferente?
Para entender la relevancia de este hallazgo, primero hay que hablar de los excitones. Un excitón es una partícula compuesta que surge cuando un electrón (carga negativa) se une a una "ausencia de electrón" llamada hueco (carga positiva). Estas uniones se producen mediante fuerzas de atracción conocidas como fuerzas coulombianas. En el caso de los excitones tradicionales, los electrones y los huecos tienen cargas completas, lo que los convierte en partículas familiares para los físicos.
Sin embargo, el equipo de Brown observó algo completamente distinto. En sus experimentos, realizados con capas ultrafinas de grafeno separadas por un cristal aislante, descubrieron excitones formados por cuasipartículas de carga fraccional. Estas partículas, características del efecto Hall cuántico fraccionario, poseen una fracción de la carga de un electrón y desafían las clasificaciones tradicionales. Jia Li explica: "Los excitones fraccionarios no solo son neutros en carga, sino que también interactúan mediante fuerzas dipolares y están regidos por estadísticas cuánticas anyónicas, lo que los hace únicos frente a cualquier partícula conocida".
Esta imagen representa simbólicamente a los excitones porque captura su esencia básica: un electrón (carga negativa) y un hueco (carga positiva) que se atraen y forman un estado ligado debido a las fuerzas coulombianas. Fuente: Midjourney / Eugenio Fdz.
Un nuevo tipo de partícula: los anyones dipolares
El descubrimiento de los excitones fraccionarios introduce una nueva categoría de partículas que enriquecen la taxonomía cuántica. Según Jia Li, estas partículas pueden considerarse anyones dipolares, debido a sus propiedades únicas: son neutras en carga pero interactúan mediante fuerzas dipolares. Por otra parte, no se comportan como bosones (que pueden compartir el mismo estado cuántico) ni como fermiones (que obedecen al principio de exclusión de Pauli).
En lugar de eso, los excitones fraccionales parecen obedecer estadísticas anyónicas, un tipo de estadística cuántica que hasta ahora solo se había explorado teóricamente o en sistemas muy específicos. Jia Li añadió: "La combinación de neutralidad de carga y estadísticas anyónicas hace que los excitones fraccionales sean fundamentalmente distintos de cualquier partícula conocida". Este descubrimiento no solo amplía nuestro conocimiento sobre las partículas, sino que sugiere la existencia de nuevas fases de la materia basadas en sus propiedades.
Representación artística de excitones fraccionarios formándose entre dos capas de grafeno. Fuente: Jia Leo
El contexto del efecto Hall cuántico fraccionario
El fenómeno observado en este experimento se basa en el efecto Hall cuántico fraccionario, un fenómeno que ocurre a temperaturas extremadamente bajas y bajo campos magnéticos intensos. Este efecto, una extensión del efecto Hall clásico, muestra que ciertas partículas en materiales bidimensionales adquieren fracciones de la carga de un electrón debido a interacciones colectivas.
En el caso del experimento de Brown, los investigadores aplicaron campos magnéticos miles de veces más intensos que el de la Tierra y trabajaron a temperaturas cercanas al cero absoluto. Usando un diseño único que implicaba dos capas de grafeno, separadas por boronitruro hexagonal, lograron crear excitones con propiedades sin precedentes. Estas partículas se comportaron como híbridos entre bosones y fermiones, abriendo un nuevo capítulo en la física cuántica.
Representación simbólica del efecto Hall cuántico donde se muestran partículas desviadas en trayectorias curvas por un campo magnético invisible.Qué significa el descubrimiento para la física de la materia condensada
Las implicaciones de este descubrimiento son enormes. Los excitones fraccionales no solo representan una nueva clase de partículas, sino que también podrían servir como plataforma para investigar nuevos estados cuánticos. Según Jia Li, "su existencia no solo enriquece la taxonomía de las partículas cuánticas, sino que también insinúa fases cuánticas de la materia aún inexploradas".
Un aspecto especialmente interesante es cómo estas partículas podrían relacionarse con la computación cuántica. Dado que los excitones fraccionales son neutros y obedecen estadísticas únicas, podrían ofrecer nuevas formas de almacenar y manipular información cuántica. Esto es crucial en el desarrollo de sistemas más robustos y eficientes para la computación del futuro.
Los próximos pasos en la investigación
El hallazgo de excitones fraccionarios es solo el comienzo. Jia Li y su equipo ya están diseñando nuevos experimentos para investigar cómo estas partículas interactúan y explorar sus propiedades estadísticas con mayor precisión. Entre sus objetivos clave están medir la carga fraccionaria de las cuasipartículas constituyentes y confirmar experimentalmente su comportamiento anyónico.
Por último, el equipo está interesado en explorar el estado fundamental de los excitones fraccionarios a temperaturas extremadamente bajas. A diferencia de los excitones convencionales, que forman condensados de Bose-Einstein, se espera que los excitones fraccionarios muestren comportamientos únicos relacionados con su naturaleza anyónica. Estas investigaciones podrían revelar fenómenos emergentes que amplíen aún más los horizontes de la física de la materia condensada.
Como comentó Jia Li: "Sentimos que tenemos el dedo justo sobre el botón de la mecánica cuántica. Es un aspecto que no conocíamos, o al menos, no valorábamos hasta ahora".
Eugenio M. Fernández Aguilar
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Referencias
Naiyuan J. Zhang, Ron Q. Nguyen, Navketan Batra, Xiaoxue Liu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, D. E. Feldman, J.I.A. Li. Excitons in the fractional quantum Hall effect. Nature, 8 de enero de 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-00000.
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