Confirman la existencia de una nueva clase de partículas subatómicas

Y ahora, por si fuera poco, un equipo de investigadores de la Universidad de Brown, en Rhode Island, acaba de confirmar la existencia de un nuevo tipo de partículas cuánticas, los 'excitones fraccionarios', cuyo inesperado comportamiento podría ampliar significativamente nuestra comprensión de las reglas que rigen el reino subatómico.

«Nuestros hallazgos -asegura Jia Li, primer autor de un artículo recién publicado en 'Nature'- apuntan hacia una clase completamente nueva de partículas cuánticas que no tienen carga general pero siguen estadísticas cuánticas únicas. La parte más emocionante es que este descubrimiento desbloquea una variedad 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«.

Junto a sus colegas, el descubrimiento de Li se centra en un conocido fenómeno, el 'efecto Hall cuántico fraccionario', 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 en presencia de campos magnéticos elevados, muestra que esta tensión lateral aumenta en saltos claros y bien definidos. En el efecto Hall cuántico fraccionario, estos pasos se vuelven aún más peculiares, y aumentan sólo en cantidades fraccionarias, transportando una fracción de la carga de un electrón.

Para sus experimentos, los investigadores construyeron una estructura con dos finas capas 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, y también generar las partículas conocidas como excitones, que se forman combinando un electrón y la ausencia de otro electrón, conocido como 'hueco'. Luego expusieron el sistema a campos magnéticos extraordinariamente fuertes, millones de veces más que el de la Tierra. Lo cual ayudó al equipo a observar los nuevos excitones fraccionarios, que mostraron un conjunto inusual de comportamientos.

Las partículas fundamentales pueden clasificarse en dos categorías. Por un lado los bosones, que son los portadores de las fuerzas de la naturaleza (fotones, gluones, bosones W y Z, bosón de Higgs...) y que pueden compartir el mismo estado cuántico, es decir, que muchos de ellos pueden existir juntos sin restricciones. Y por otro los fermiones, que son los constituyentes de la materia y que siguen el llamado 'principio de exclusión de Pauli', según el cual es imposible que dos fermiones puedan ocupar el mismo estado cuántico.

Pero los excitones fraccionarios descubiertos por Li y su equipo no encajan claramente en ninguna de las dos categorías. De hecho, y si bien tenían las cargas fraccionarias que se esperaban en el experimento, su comportamiento mostró 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 'cuasipartícula' que que está a medio camino entre fermiones y bosones; pero con una serie de propiedades únicas que también los diferenciaban de los anyones.

«Este comportamiento inesperado -explica Naiyuan Zhang, coautor de la investigación- sugiere que los excitones fraccionarios podrían representar una clase completamente nueva de partículas con propiedades cuánticas únicas. Demostramos que los excitones pueden existir en el régimen cuántico fraccionario de Hall y que algunos de estos excitones surgen del emparejamiento de partículas cargadas fraccionariamente, creando excitones fraccionarios que no se comportan como bosones».

Según los investigadores, la existencia de esta 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 fiables.

«Básicamente -asegura Li-, hemos desbloqueado una nueva dimensión para explorar y manipular este fenómeno, y apenas estamos comenzando a arañar su superficie. Esta es la primera vez que se demuestra de forma experimental que este tipo de partículas existe realmente, y ahora estamos profundizando en lo que podría surgir de ellas».

«Parece como si tuviéramos el dedo justo en el botón de la mecánica cuántica -afirma por su parte el también coautor Dima Feldman-. Es un aspecto de la mecánica cuántica que no conocíamos o, al menos, no comprendiamos hasta ahora».