Esta imagen del cúmulo de galaxias CL0024+17 muestra la creación de un efecto de lente gravitacional producto, en gran parte, de la interacción gravitatoria con la materia oscura. Crédito: Telescopio Espacial Hubble, NASA. "Los experimentos de mesa pueden ser muy esclarecedores", dijo el teórico de la materia condensada Shoucheng Zhang, quien publicó los resultados con los colegas de SIMES Rundong Li, Jing Wang y Xiao-Liang Qi. "Podemos hacer observaciones en los experimentos de mesa que nos ayudan a comprender los misterios más profundos del universo."
En un artículo publicado en la edición del 7 de marzo en línea de Nature Physics, Zhang y sus colegas describen un conjunto experimental capaz de detectar por primera vez el axion, una partícula teórica conjeturada pequeña y ligera que impregna el universo. Con su masa muy pequeña y la falta de carga eléctrica, el axion es un candidato para la misteriosa partícula de materia oscura. Sin embargo, a pesar de mucho esfuerzo, los axiones nunca han sido observados experimentalmente.
Esto puede cambiar gracias a la investigación de vanguardia de los teóricos de SIMES en los aisladores topológicos. En este pequeño, recién descubierto subconjunto de materiales, los electrones viajan con gran dificultad por el interior, pero fluyen con mucho menos resistencia en la superficie, tanto como pueden hacerlo en los materiales superconductores. Incluso mejor, lo hacen a temperatura ambiente. Esto conduce a propiedades inusuales que pueden ser importantes para aplicaciones como la espintrónica (electrónica de espin), una tecnología emergente que podría permitir una nueva clase de dispositivos electrónicos de rendimiento superior, de baja potencia y de alta densidad.
Shoucheng Zhang del Instituto Stanford para la Ciencia de Materiales y Energía. (Foto cortesía de Brad Plummer). En su investigación en otras aplicaciones para los aisladores topológicos, Zhang y sus colegas descubrieron que el comportamiento electromagnético de los aisladores topológicos es descrito por las mismas ecuaciones matemáticas que describen el comportamiento de los axiones; maravillosamente, las leyes del universo en relación con los axiones se reflejan en esta nueva clase de materiales. Como resultado de este paralelismo matemático, los teóricos postulan que los experimentos sobre los aisladores topológicos pueden revelar mucho sobre los axiones que, según se predice, impregnan el universo.
"Que ambos son descritos por la misma ecuación matemática es la belleza de la física", dijo Zhang. "Las matemáticas son tan poderosas que nos permiten estudiar estas cosas en los aisladores topológicos como si fueran un universo bebé".
En su paper, Zhang y sus colegas describen una clase particular de aislante topológico en el que las matemáticas paralelas relacionadas con los axiones es más evidente, y sugieren varios experimentos que pueden realizarse para "ver" axiones en el comportamiento electromagnético de aisladores topológicos. Estos experimentos pueden ofrecer información adicional sobre las características físicas de los axiones, visión que simplificaría la búsqueda de los observadores astronómicos, dando una mejor idea de dónde buscar la evidencia de los axiones oculto detrás del fragor general del universo.
"Si vemos axiones en un experimento de mesa, será muy esclarecedor", dijo Zhang. "Esto ayudará a arrojar luz sobre el misterio de la materia oscura."
El Instituto Stanford para la Ciencia de Materiales y Energía, SIMES, es un Instituto Mixto de SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford. La investigación en SIMES es apoyada en parte por el Oficina de la Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos.
SLAC es un programa multi-laboratorio de exploración de preguntas en la frontera de la ciencia de fotones, la astrofísica, la física de partículas y la investigación del acelerador. Situado en Menlo Park, California, SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de la Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos.
Traducido de:
Seeking Dark Matter on a Desktop (por Kelen Tuttle).
Más información:
• Instituto Stanford para la Ciencia de Materiales y Energía
• Oficina de la Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos
• SLAC National Accelerator Laboratory
• Stanford University
• Dynamical Axion Field in Topological Magnetic Insulators, Nature Physics, March 7, 2010
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