Los aislantes topológicos podrían ser el próximo campo de pruebas para la física de partículas. Crédito: M. Kulyk / Science Photo libraryUna oscura clase de material podría ser utilizado para simular una gran cantidad de partículas exóticas predichas por los físicos, pero nunca vistas.
Los resultados preliminares presentados el 14 de marzo, en vísperas de la reunión de la American Physical Society en Portland, Oregon, sugieren que se ha hecho una porción suficientemente grande de un "aislante topológico" para poner a prueba algunas de las predicciones extrañas de la teoría cuántica de campos, una versión de la mecánica cuántica que se usa comúnmente en física de partículas. La teoría predice la existencia de un inusual número de partículas, que si se reproduce en el material podría ser útil para futuras aplicaciones, como el código de craqueo de computadoras cuánticas, o en espintrónica, la electrónica que se basa en el espín de las partículas", así como en su carga.
Ahora Laurens Molenkamp, un físico de la Universidad de Würzburg en Alemania, cree que él ha creado un aislante topológico de Telururo de mercurio (HgTe) lo suficientemente grueso como para poner la teoría a prueba.
Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones en el exterior, pero actúan como aislantes en el interior. El origen de esa propiedad aparentemente mundana radica en la forma que se mueven los electrones a través del material. Los electrones tienen un "espín" en mecánica cuántica que apunta hacia "arriba" o hacia "abajo ". El espín es normalmente independiente del movimiento de un electrón, pero dentro de aislantes topológicos, los espines de los electrones están estrechamente relacionadas con cómo se mueven.
El "Multiverso" en un chip
Esa relación entre el espín y el movimiento hace de los aisladores un buen medio en el que modelar algunas formulaciones de la teoría cuántica de campos, dice Zhang Shoucheng, un físico teórico en la Universidad de Stanford en California.
La teoría cuántica de campos ha sido extraordinariamente exitosa en describir el Universo, pero algunas de sus predicciones han resultado difíciles de verificar. Algunas formulaciones sugieren la existencia de los axiones, partículas que interactúan débilmente propuestas para dar cuenta de la invisible "materia oscura", que podría constituir casi una cuarta parte de la masa del Universo. La teoría también permite la existencia de monopolos magnéticos, extremos norte o sur individuales que nunca se han visto en la naturaleza.
"Vivimos en un tipo de universo, pero dentro de estos sólidos pueden crear estos universos inusuales", dice Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. "Eso es muy interesante."
Las partículas no serían las mismas que las predichas por la teoría cuántica de campos; por ejemplo, un estudio realizado por Zhang y sus colegas demuestra que los axiones podrían ser simulados como fluctuaciones magnéticas dentro de un aislante topológico. Pero la analogía podría guiar a los científicos sobre dónde buscar los equivalentes reales de la partícula en el Universo. La brillante luz polarizada a través del aislante podría revelar signos indicadores de los axiones. Si realmente existen estos últimos, a continuación, la misma firma también podría aparecer en el fondo cósmico de microondas, la radiación primordial remanente del Big Bang.
Algunas de las partículas exóticas propuesta también podría tener usos prácticos. Una clase, conocidas como fermiones de Majorana, predicha como muy estable, podría ser utilizado en computadoras cuánticas para almacenar datos.
Cosas extrañas
El HgTe utilizado por Molenkamp es un aislador topológico muy conocido, pero hasta ahora el comportamiento topológico aislante se ha visto sólo a lo largo de los bordes de las delgadas astillas cortantes de material. En los resultados preliminares presentados en un tutorial antes de la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones en la superficie de su muestra en tres dimensiones se comportaban como si estuvieran en un aislante topológico. "Si todo esto está trabajando, podemos comprobar experimentalmente la teoría cuántica de campos", dice.
Si el HgTe está a la altura de sus expectativas, Molenkamp dice que pronto puede comenzar la búsqueda de las "cosas extrañas", que se predicen residentes en su interior.
Yazdani, que trabaja con una clase alternativa de materiales basados en bismuto, dice que si Molenkamp ha conseguido los resultados que describe, esto sería un importante paso adelante para el campo. Pero, añade, "no he visto sus datos así que no puedo decir que tan convincentes son."
Zhang dice que los resultados son muy interesantes. Sin embargo, reconoce que, aunque axiones y monopolos podrían vivir en un aislante topológico, eso no significa que van a existir en el mundo real. "No quiere decir que nosotros lo veremos en el Universo", dice. "Pero al menos nos dicen que estas ecuaciones no están locas."
Fuente:
Are the Universe's secrets hiding on a chip? (Nature News)
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