Predicen un nuevo tipo de partícula presente en ‘universos materiales’

Un equipo internacional de investigadores ha predicho la existencia de un nuevo tipo de partícula, llamada fermión de Weyl tipo II, en materiales metálicos. Al ser sometidos a un campo magnético, los materiales que contienen la partícula actúan como aislantes para la corriente aplicada en algunas direcciones y como conductores de corriente si es aplicada en otras direcciones.

Este comportamiento sugiere una gama de aplicaciones potenciales, desde dispositivos de baja energía a transistores eficientes.

Los investigadores teorizan que existe la partícula en un material conocido como ditelururo de tungsteno (WTe2), que los investigadores comparan a un «universo material» ya que contiene varias partículas, algunas de las cuales existen en las condiciones normales de nuestro universo y otras que puedan existir solamente en estos tipos especializados de cristales. La investigación aparece en la revista Nature esta semana.

La nueva partícula es un primo del fermión de Weyl, una de las partículas del modelo estándar. Sin embargo, las partículas de tipo II mismas exhiben respuestas muy diferentes a los campos electromagnéticos, siendo conductores casi perfectos cerca en algunas direcciones del campo y aislantes en otras.

La investigación fue dirigida por el profesor de la Universidad de Princeton (Nueva Jersey, EE.UU.) B. Andrei Bernevig, así como por Matthias Troyer y Alexey Soluyanov, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza), y Xi Dai, del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias.

La teoría

Según los investigadores, el físico Hermann Weyl no fue consciente de la existencia de esta partícula, durante el desarrollo inicial de la teoría cuántica hace 85 años, porque violaba una norma fundamental, llamada simetría de Lorentz, que no se produce en los materiales en que surge el nuevo tipo de fermión.

Las partículas de nuestro universo están descritas por la teoría cuántica de campos relativista, que combina la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad de Einstein. Según esta teoría, los sólidos están hechos de átomos, que consisten en un núcleo rodeado de electrones. Debido a la gran cantidad de electrones que interactúan entre sí, no es posible resolver exactamente el problema del movimiento de muchos electrones en sólidos utilizando la teoría de la mecánica cuántica.

En cambio, nuestro conocimiento actual de los materiales se deriva de una perspectiva simplificada, en la cual los electrones en sólidos se describen en términos de partículas especiales que no interactúan, llamadas cuasi-partículas, que se mueven en el campo efectivo creado por entidades cargadas, llamadas iones y electrones. Estas cuasi-partículas, denominadas electrones Bloch, también son fermiones (tienen espín semi-entero).

Del mismo modo que los electrones son partículas elementales en nuestro universo, los electrones Bloch se pueden considerar las partículas elementales de un sólido. En otras palabras, el propio cristal se convierte en un «universo», con sus propias partículas elementales.

En los últimos años, los investigadores han descubierto que un «universo material» así puede albergar todas las demás partículas de la teoría cuántica de campos relativista. Tres de estas cuasi-partículas, los fermiones de Dirac, Majorana, y Weyl, fueron descubiertos en dichos materiales, a pesar de que los dos últimos habían sido esquivos durante los experimentos, abriendo el camino para simular ciertas predicciones de la teoría cuántica de campos en experimentos relativamente baratos y a escala pequeña llevados a cabo en estos cristales de «materia condensada».

Cristales

Estos cristales se pueden desarrollar en el laboratorio, para hacer experimentos en busca del fermión ahora predicho en WTe2 y en otro material candidato, el ditelururo de molibdeno (MoTe2).

«La imaginación puede ir más allá y preguntarse si partículas que son desconocidos para la teoría cuántica de campos relativista pueden surgir en la materia condensada», dice Bernevig en la web de Princeton. Hay razones para creer que sí, según los investigadores.

El universo descrito por la teoría cuántica de campos está sujeto a la restricción rigurosa de un determinado conjunto de reglas, o simetría, conocida como la simetría de Lorentz, que es característica de las partículas de alta energía. Sin embargo, la simetría de Lorentz no es aplicable en la materia condensada, porque las velocidades típicas de los electrones en sólidos son muy pequeñas en comparación con la velocidad de la luz, por lo que la física de la materia condensada es una teoría de baja energía por definición.

«Uno puede preguntarse», dice Soluyanov, «si es posible que algunos universos materiales acojan partículas no relativistas elementales que no cumplan la simetría de Lorentz?»

Esta pregunta fue respondida positivamente por un trabajo de la colaboración internacional. El trabajo comenzó en una visita de Soluyanov y Dai a Bernevig en Princeton, en noviembre de 2014, discutiendo sobre el extraño e inesperado comportamiento de ciertos metales en los campos magnéticos.

Los investigadores descubrieron que mientras que la teoría relativista sólo permite que exista una única especie de fermiones de Weyl, en los sólidos de materia condensada dos fermiones de Weyl físicamente distintos son posibles.

El fermión de Weyl estándar Tipo-I tiene sólo dos posibles estados en los que puede estar en energía cero, similares a los estados de un electrón que puede tener espín up o espín down. La densidad de estados en energía cero es cero, y el fermión es inmune a muchos efectos termodinámicos interesantes. Este fermión de Weyl existe en la teoría de campos relativista, y es el único permitido si se preserva la invariancia de Lorentz.

El tipo-2 del fermión de Weyl, recién predicho, tiene varios estados termodinámicos en los que puede estar en energía cero: tiene lo que se denomina una superficie de Fermi. Su superficie de Fermi es exótica, debido a que muestra puntos de contacto entre bolsillos de electrones y de huecos. Esto dota al nuevo fermión con una densidad finita de estados que rompe la simetría de Lorentz.

Posibilidades

El descubrimiento abre muchas nuevas direcciones. La mayoría de los metales normales exhiben un aumento en la resistividad cuando se someten a campos magnéticos, un efecto conocido y utilizado en muchas tecnologías actuales. La reciente predicción y la comprobación experimental de la existencia de fermiones de Weyl estándar Tipo-I en semimetales, por dos grupos de Princeton y un grupo del Instituto de Física de China, muestran que la resistividad en realidad puede disminuir si el campo eléctrico se aplica en la misma dirección que el campo magnético, un efecto llamado magnetorresistencia longitudinal negativa.

El nuevo trabajo muestra que los materiales que alojan fermiones de Weyl tipo II mezclan comportamientos: Mientras que para algunas direcciones de los campos magnéticos la resistividad aumenta igual que en los metales normales, para otras direcciones de los campos, la resistividad puede disminuir igual que en los semimetales de Weyl, lo cual ofrece posibles aplicaciones tecnológicas.

«Aún más intrigante es la perspectiva de encontrar más partículas elementales en otros sistemas de materia condensada», dicen los investigadores. «¿Qué clases de otras partículas se pueden ocultar en la variedad infinita de universos materiales? La gran variedad de fermiones emergentes en estos materiales sólo ha comenzado a ser desentrañada.»

Referencia bibliográfica:

Alexey A. Soluyanov, Dominik Gresch, Zhijun Wang, QuanSheng Wu, Matthias Troyer, Xi Dai, B. Andrei Bernevig: Type-II Weyl semimetals. Nature (2015). DOI: 10.1038/nature15768.