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ciencia

Frenesí en el mundo de la física de partículas

Una nueva cuasipartícula revoluciona la física de partículas: se llama anyón, se comporta como fermiones y bosones, tiene memoria y solo existe en dos dimensiones. Impulsará los ordenadores cuánticos

 

Frenesí en el mundo de la física de partículas -

EL PERIÓDICO
08/09/2020

La física de partículas está viviendo momentos de frenesí: en julio pasado, investigadores de la Universidad de Purdue (USA) obtuvieron la primera prueba experimental de una cuasipartícula muy particular, conocida como anyón, predicha por primera vez hace más de 40 años.

Aquel descubrimiento obligó a reescribir la clasificación básica de partículas. Ahora, el mismo equipo aporta nuevas características de esta cuasipartícula que podrán consolidar importantes desarrollos tecnológicos. Los resultados se publican en 'Nature Physics'.

El reino de las cuasipartículas es una derivada de las dos partículas básicas que estructuran toda la materia, desde los rayos cósmicos hasta un quark: todo está formado por fermiones o bosones. Fermiones son los electrones, los protones y los neutrones. Los fotones, en cambio, son bosones.

Podemos decir que fermiones y bosones tienen dos características principales que, combinadas, permiten estructurar toda la materia conocida: unos son solitarios (los fermiones, porque nunca forman un estado cuántico) y otros son gregarios (los bosones, porque comparten estados cuánticos).

También sabemos que por debajo de fermiones y bosones fluyen las llamadas cuasipartículas: son excitaciones cuánticas formadas por partículas más pequeñas que, juntas, actúan como si fueran una sola de comportamiento predecible.

Comportamiento colectivo

Por ejemplo, un banco de peces en el mar se comporta como una unidad mayor durante un tiempo, pero en realidad no forma una nueva realidad de pez. Solo desarrolla en conjunto un comportamiento colectivo. En ese momento, forma lo que podríamos llamar un "cuasipez" enorme.

La nueva cuasipartícula se suma a las casi 30 ya descubiertas, la mayoría con comportamientos exóticos, pero tiene una particularidad sorprendente: está en un estado intermedio entre los bosones y los fermiones.

Se comporta como los bosones (gira alrededor de otra partícula cuántica), pero no forma estados cuánticos (como los fermiones). Además, tiene memoria y solo existe en dos dimensiones, explica Nature reflejando el frenesí de los físicos.

Para explicar lo que esto significa hay que recurrir a la topología, una rama de las matemáticas, y más específicamente a la homotopía: estudia las deformaciones que puede sufrir un objeto para transformarse en otro cuerpo.

Desde un punto de vista matemático, una taza de café y un donut son equivalentes: ambos pueden deformarse completamente hasta convertirse en representaciones matemáticas de una taza o una rosquilla.

Los anyones son aún más audaces: pueden comportarse tanto como bosones o fermiones. Adquieren esta capacidad porque se mueven en un espacio de solo dos dimensiones: su topología permite esta contorsión insólita.

Por ello, a diferencia de otros tipos de partículas, los anyones pueden adoptar cualquier fase cuántica cuando intercambian posiciones.

Y además mantienen una memoria de sus interacciones con otras cuasipartículas que potencian su comportamiento paradójico.

Aplicaciones tecnológicas

Los autores de este descubrimiento, James Nakamura, Shuang Liang, Geoffrey Gardner y Michael Manfra, de la citada universidad, añaden otras apreciaciones importantes.

Señalan que los anyones muestran este comportamiento solo como masas colectivas de electrones, en los que muchos electrones se comportan como uno solo en condiciones muy extremas y específicas (como los peces en presencia de un depredador).

Por este motivo, consideran que los anyones seguramente no están aislados en la naturaleza, si bien son más robustos en sus propiedades que otras partículas cuánticas.

Añaden que esta característica es topológica porque depende de la geometría del sistema.

En consecuencia, suponen que los anyones pueden conducir a estructuras mucho más sofisticadas que podrían usarse para construir ordenadores cuánticos más robustos.

Las cuasipartículas pertenecen al campo de la física de la materia condensada, que estudia las características físicas de la materia, especialmente las fases "condensadas": ocurren cuando un sólido o un líquido se comporta como un banco de peces.

En ese momento, abren un espacio a los anyones: aparecen dentro de materiales 2-D y se pueden enrollar entre sí como una cuerda mientras se comportan indistintamente como bosones y fermiones.

Referencia

Direct observation of anyonic braiding statistics. J. Nakamura, S. Liang, G. C. Gardner & M. J. Manfra. Nature Physics volume 16, pages931¿936(2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-020-1019-1