La física de partículas no deja de sorprendernos. El descubrimiento en el que os proponemos indagar en este artículo está protagonizado por una de las partículas elementales más apasionantes de todas, el electrón, pero no ha sido llevado a cabo por el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), el prestigioso laboratorio de física de partículas alojado en las proximidades de Ginebra (Suiza).
Tampoco por el no menos respetado Laboratorio Fermi, en EEUU. Sus responsables son unos investigadores de la Universidad Ehime, en Japón, liderados por el físico Ryuhei Oka. Esta declaración de Domenico Di Sante, uno de los investigadores que participaron en la primera medición del espín de un electrón, expresa con claridad qué tenemos entre manos:
"El comportamiento de los electrones en los materiales está condicionado por varias propiedades cuánticas que determinan la forma en que orbitan en la materia de la que forman parte. Este fenómeno es similar a cómo la trayectoria que sigue la luz cuando viaja a través del universo se ve alterada debido a la presencia de estrellas, agujeros negros, materia oscura o energía oscura, que son capaces de curvar el continuo espacio-tiempo".
Los electrones de Dirac han vuelto a aparecer
La reflexión de Di Sante nos predispone a meternos de lleno en el descubrimiento que han llevado a cabo Oka y sus colegas. Y es que estos científicos japoneses han conseguido identificar unos electrones muy peculiares conocidos por los físicos como "electrones de Dirac" en el interior de un polímero superconductor conocido como Bis(etilenditiolo)tetratiafulvaleno.
El nombre de este material es impronunciable, es verdad, pero lo realmente importante es que estos electrones existen en unas condiciones muy estrictas en las que carecen de masa efectiva, lo que les permite comportarse de una forma similar a los fotones, y, por tanto, oscilar a la velocidad de la luz.
Esta no es la primera vez que los físicos identifican estos electrones tan elusivos. Otros investigadores los han encontrado en el grafeno, así como en otros materiales topológicos, pero el descubrimiento de estos físicos japoneses puede resultar muy valioso a la hora de entender mejor, precisamente, las propiedades de estos últimos.
Los materiales topológicos se caracterizan por exhibir propiedades eléctricas diferentes en su superficie y su interior debido a la topología de su estructura electrónica
Un apunte antes de seguir adelante: los materiales topológicos se caracterizan por exhibir propiedades eléctricas diferentes en su superficie y su interior debido a la topología de su estructura electrónica. Durante las últimas décadas están siendo estudiados por muchos investigadores debido a que pueden resultar muy útiles en aplicaciones de computación cuántica o electrónica avanzada.
Para encontrar estos electrones tan peculiares en el polímero superconductor que he mencionado unas líneas más arriba el grupo liderado por Oka ideó una estrategia muy ingeniosa. A grandes rasgos requiere aplicar al material que está siendo estudiado un campo magnético con la capacidad de interaccionar con el espín de cualquier electrón desapareado y alterarlo. Esta técnica, de hecho, permite a los físicos identificar y observar electrones desapareados.
Antes de seguir adelante nos interesa saber que un electrón desapareado es aquel cuyo espín no está compensado por otro electrón de espín opuesto en el mismo átomo o la misma molécula. Por otro lado, el espín es un fenómeno cuántico, por lo que no es del todo correcto describirlo como un movimiento de rotación convencional en el espacio. Aun así, con una finalidad eminentemente didáctica podemos observarlo como una propiedad intrínseca de las partículas elementales, al igual que la carga eléctrica, derivada de su momento de rotación angular.
El espín es un fenómeno cuántico, por lo que no es del todo correcto describirlo como un movimiento de rotación convencional en el espacio
Durante su experimento Oka y sus colegas se dieron cuenta de algo crucial: si querían entender el comportamiento de los electrones de Dirac debían describirlos en cuatro dimensiones. Las tres primeras son las dimensiones espaciales con las que todos estamos familiarizados, y la cuarta está constituida por el nivel de energía del electrón.
En el artículo científico que han publicado en Materials Advances estos físicos explican que gracias a esta estrategia multidimensional se dieron cuenta de que la velocidad con la que se desplazaban estos electrones no era constante; dependía de la temperatura y del ángulo del campo magnético en el interior del material. Su descubrimiento es importante en la medida en que ayuda a los físicos a conocer mejor el comportamiento de los electrones de Dirac, pero también tiene la capacidad de marcar la diferencia en el estudio de los materiales topológicos.
Imagen | Xataka con Midjourney
Más información | Materials Advances
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