Una oscura clase de material se podría utilizar para simular una gran cantidad de partículas exóticas que han predicho los físicos, pero nunca se han visto.
Dibujo de un ordenador en una esfera en una placa de circuito dentro de un haz de luz, lo que representa cómo pueden ser controlados y almacenados los datos en un ordenador cuántico. Los aisladores topológicos podrían ser el próximo campo de pruebas para la física de partículas. M. KULYK / SCIENCE PHOTO LIBRARY KULYK / Science Photo Library
Reesultados preliminares de un trabajo, presentados el pasado 14 de marzo en la apertura de la reunión de la Sociedad Física Americana en Portland, Oregon, indican que se ha fabricado un trozo de un “aislante topológico” que es suficientemente grande como para probar algunas extrañas predicciones de la Teoría Cuántica de Campos, una versión de la mecánica cuántica que se utiliza habitualmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de una cantidad de inusuales partículas, que, si se las reproduce en este material, podrían resultar útiles para aplicaciones futuras tales como quebrar códigos en computadoras cuánticas o en la espintrónica, una electrónica que se basa en el espín de las partículas tanto como en su carga.
Ahora, Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg en Alemania, cree que ha creado un aislante topológico de telúrido de mercurio (HgTe) con un grosor suficiente como para poner la prueba la teoría.
Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones por fuera pero actúan como aislantes en su interior. El origen de esta propiedad que parece mundana está en la forma en que se mueven los electrones a través del material. Los electrones transportan un “espín” mecánico cuántico que apunta hacia “arriba” o jacia “abajo”. Normalmente, el espín es independiente del movimiento de un electrón, pero dentro de los aislantes topológicos, los espines de los electrones tienen una fuerte relación con su movimiento.
El “multiverso” en un chip
Esta relación entre espín y movimiento lleva a que los aislantes sean un buen medio para modelar algunas formulaciones de la Teoría Cuántico de Campos, dice Shoucheng Zhang, físico teórico de la Universidad de Stanford en California.
La Teoría Cuántica de Campos ha sido muy éxitosa en describir el universo, pero algunas de sus predicciones han resultado ser difíciles de demostrar. Algunas formulaciones indican la existencia de axiones, partículas que interactúan débilmente que fueron propuestas para dar cuenta de la invisible “materia oscura”, que podrían formar parte de casi un cuarto de la masa del universo. La teoría también admite la existencia de monopolos magnéticos, puntos de norte y sur independientes que nunca se han observado en la naturaleza.
“Nosotros vivimos en un tipo de universo, pero dentro de estos sólidos se pueden crear esos universos inusuales”, dice Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton en New Jersey. “Esto es bueno”.
Las partículas no serían las mismas que predice la Teoría Cuántica de Campos; por ejemplo, un estudio hecho por Zhang y sus colegas muestra que los axiones podrían ser simulados como fluctuaciones magnéticas dentro de un aislante topológico1. Pero la analogía servir de guía a los científicos para saber dónde buscar el equivalente real de esa partícula en el universo. Haciendo pasar luz polarizada por el aislante se podrían revelar signos reveladores de los axiones. Si en realidad existen los axiones, entonces la msima señal podría aparecer en la radiación de fondo de microondas cósmica, radiación primordial dejada por el Big Bang.
Algunas de las exóticas partículas que se han propuesto también podrían tener usos prácticos. Se predice que una clase, conocida como fermiones de Majorana, han de ser muy estables, lo que permite usarlas en computadores cuánticos para almacenar datos.
Cosas hediondas
El HgTe que usa Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta el momento sólo se ha visto el comportamiento de aislante topológico en los bordes de finas rodajas de material. En los resultados preliminares, presentados en una clase anterior a la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones en la superficie de esta muestra tridimensional se estaban comportando como lo harían en un aislante topológico. “Si todo esto funciona, podemos comprobar experimentalmente la Teoría Cuántica de Campos”, dijo.
Si el HgTe está a la altura de estas expectativas, Molenkamp dice que pronto puede comenzar la búsqueda de “raras cosas” que se ha predicho que residen en su interior.
Yazdani, que trabaja con una clase alternativa de material a base de bismuto, dice que si Molenkamp ha logrado los resultados que describe, sería un importante paso adelante para el campo. Pero, añade: “No he visto sus datos, por lo que no puedo decir cuán convincentes son”.
Zhang dice que los resultados son muy interesantes. Sin embargo, reconoce que, aunque los axiones y monopolos podrían existir dentro de un aislante topológico, no significa que vayan a existir en el mundo real. “Eso no significa que los vamos a ver en el universo”, dijo. “Pero al menos nos dirá que estas ecuaciones son tan locas”.
Referencias:
1. Li, R. , Wang, J. , Qi, X.-L. & Zhang, S.-C. Nature Phys. doi:10.1038/nphys1534 (2010).
Fuente: Nature News.
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