Investigadores encuentran pruebas de un nuevo estado misterioso de la materia

Los investigadores, incluyendo físicos de la Universidad de Cambridge, midieron las primeras firmas de estas partículas fraccionadas, conocidos como fermiones de Majorana, en un material de dos dimensiones con una estructura similar al grafeno.

   Investigadores han encontrado pruebas de un nuevo estado misterioso de la materia, que fue predicho hace 40 años, en un material real.

   Este estado, conocido como un líquido cuántico de espín, hace que los electrones -que se pensaba son bloques indivisibles de construcción de la naturaleza – se rompan en pedazos.

   Los investigadores, incluyendo físicos de la Universidad de Cambridge, midieron las primeras firmas de estas partículas fraccionadas, conocidos como fermiones de Majorana, en un material de dos dimensiones con una estructura similar al grafeno.

   Sus resultados experimentales se ajustaron con éxito a uno de las principales modelos teóricos para un líquido cuántico de espín, conocido como un modelo Kitaev. Los resultados se presentan en la revista Nature Materials.

   Los líquidos de espín cuánticos son misteriosos estados de la materia que se cree que se esconden en ciertos materiales magnéticos, pero no habían sido vistos de forma concluyente en la naturaleza.

   La observación de una de las más intrigantes propiedades de electrones -la división en fracciones de los electrones- en materiales reales es un gran avance. Los fermiones de Majorana resultantes pueden ser utilizados como bloques de construcción de ordenadores cuánticos, mucho más rápidos que los ordenadores convencionales y capaces de realizar cálculos de otro modo imposibles.

   «Este es un nuevo estado cuántico de la materia, que ha sido predicho, pero no se ha visto antes,» dijo Johannes Knolle, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, uno de los co-autores del artículo.

   En un material magnético típico, los electrones se comportan como diminutos imanes de barra. Y cuando un material se enfría a una temperatura suficientemente baja, los imanes se ordenarán a sí mismos, de modo que todos los polos magnéticos norte apuntan en la misma dirección, por ejemplo.

   Pero en un material que contiene un estado líquido de espín, incluso si ese material se enfría hasta el cero absoluto, los imanes de barra se alinen pero formando una sopa entrelazada causada por las fluctuaciones cuánticas.

   «Hasta hace poco, ni siquiera sabíamos que las huellas digitales experimentales de un líquido cuántico de espín se verían así», dijo el coautor Dmitry Kovrizhin, también del grupo de Teoría de la Materia Condensada del Laboratorio Cavendish. «Una cosa que hemos hecho en trabajos anteriores es preguntarnos, si estuvieramos realizando experimentos sobre un posible líquido cuántico de espín, lo que íbamos a observar?».

   Los coautores de Knolle y Kovrizhin, dirigidos por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, utilizaron técnicas de dispersión de neutrones para buscar evidencia experimental de fraccionalizació en los cristales de cloruro de rutenio (RuCl3). Los investigadores probaron las propiedades magnéticas de los cristales de RuCl3 iluminándolos con neutrones, y observando el patrón de ondas que los neutrones produjeron en una pantalla.

   Un imán normal crearía distintos puntos cortantes, pero era un misterio qué tipo de patrón harían los fermiones de Majorana en un líquido cuántico de espín. La predicción teórica de distintas firmas por Knolle y sus colaboradores en 2014 se ajustó bien con lo que los experimentadores observaron en la pantalla, proporcionando la primera evidencia directa de un líquido cuántico de espín y la fraccionalización de electrones en un material de dos dimensiones.

   «Esta es una nueva adición a una corta lista de estados cuánticos conocidos de la materia», dijo Knolle.

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