Los electrones abren un nuevo mundo a la física cuántica

Un nuevo descubrimiento en torno al misterioso comportamiento de los electrones entusiasma a los científicos: no solo es fascinante para la física fundamental, sino que también abre un nuevo mundo de posibilidades tecnológicas que apenas empezamos a vislumbrar. Vale la pena conocer la historia.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Washington en Seattle descubrieron que los electrones en hojas apiladas de grafeno exhiben lo que se conoce como el efecto Hall cuántico fraccionario anómalo (FQAHE). Otro equipo del MIT también observó este efecto FQAHE al intercalar cinco capas de grafeno entre láminas de nitruro de boro, revela la revista Nature, añadiendo que ambos descubrimientos emocionan a los físicos.

El FQAHE es una manifestación física en la que los electrones en sistemas bidimensionales exhiben una conductancia Hall cuantificada en valores fraccionarios. Este fenómeno se caracteriza por la aparición de cargas fraccionarias en los electrones.

Sistema bidimensional

Para entender lo que este extraño comportamiento de los electrones significa, imaginemos a un grupo de personas en una habitación que solo pueden moverse en línea recta, de un lado a otro: este ejemplo refleja un sistema bidimensional, en el que los electrones solo pueden moverse en dos direcciones, como en una hoja de papel.

Ahora, si estas personas representaran electrones y cada una tuviera que llevar una bolsa de canicas, normalmente esperaríamos que cada bolsa tuviera el mismo número de canicas, digamos 10.

Comportamientos extraños

En el mundo cuántico, bajo ciertas condiciones muy específicas (como temperaturas extremadamente bajas), los electrones empiezan a comportarse de manera extraña y las "bolsas" de carga que llevan pueden tener cantidades fraccionarias, como si solo llevaran 6.7 canicas en lugar de 10. Esto es lo que queremos decir con "cargas fraccionarias".

El efecto Hall cuántico fraccionario anómalo (FQAHE) es como si, además de llevar un número fraccionario de canicas, estas personas pudieran pasar a través de las paredes (un fenómeno que en física cuántica se llama "efecto túnel") y solo pudieran hacerlo cuando se mueven en una dirección específica.

Esto crea un patrón de movimiento muy particular que los científicos pueden medir y que se llama "conductancia Hall".

Sin campo magnético

En el caso del FQAHE, la cantidad de canicas (carga) que cada persona (electrón) puede llevar y pasar a través de las paredes (efecto túnel) no es un número entero como 1, 2, 3..., sino fracciones como 2/3 o 3/5, en lugar de la carga completa de -1.

Lo más sorprendente es que este comportamiento de los electrones observado en los experimentos del MIT y de Seattle se manifiesta sin la necesidad de un campo magnético externo, lo cual es inusual y desafía la comprensión actual de los físicos sobre los materiales topológicos.

Los electrones en estas condiciones interactúan fuertemente, formando nuevas partículas conocidas como cuasipartículas (conjuntos de partículas más pequeñas que actúan como una sola partícula predecible) y, como las personas del ejemplo, poseen una carga fraccionaria de canicas. Estas cuasipartículas son fundamentales para el FQAHE, ya que su presencia resulta en la cuantización fraccionaria de la resistencia del efecto Hall.

Aplicaciones cuánticas

El FQAHE no solo es un descubrimiento fascinante en términos de física fundamental, sino que también tiene potencial para aplicaciones prácticas.

Las partículas con cargas fraccionarias son un requisito clave para un tipo específico de computación cuántica, lo que significa que este descubrimiento podría ser un paso crucial hacia la realización de computadoras cuánticas más avanzadas y eficientes, así como prácticas y accesibles.

Por otro lado, los materiales que exhiben este efecto podrían ser utilizados en la fabricación de dispositivos de almacenamiento magnético y sistemas de espintrónica (estado de energía magnética débil que puede tomar solo dos valores), en los que el control del espín del electrón es crucial, por lo que el nuevo descubrimiento puede abrir nuevas posibilidades a la física de materiales.

Aunque aún queda mucho trabajo por hacer para comprender completamente el mecanismo que opera detrás del FQAHE en el grafeno apilado, el entusiasmo en la comunidad científica es palpable, con acalorados debates acerca de su significado.

Electrones sorprendentes

Una vez más, la historia se repite. No es la primera vez que los electrones dejan asombrados y desconcertados a los científicos: han sido los protagonistas de numerosas sorpresas que han permitido construir la física cuántica tal como la conocemos hoy.

La dualidad Onda-Partícula propia de los electrones, fue una de las primeras y más desconcertantes revelaciones. Este fenómeno se demostró en experimentos como el de la doble rendija, en el que los electrones adoptan un comportamiento típico de las ondas y pueden atravesar paredes.

Los electrones también inspiraron el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, según el cual es imposible conocer simultáneamente la posición y el momento de un electrón con precisión absoluta. Este principio desafió la noción clásica de medición y predicción.

El entrelazamiento cuántico, en el cual el estado de un electrón puede estar instantáneamente correlacionado con el estado de otro, independientemente de la distancia, fue otra sorpresa que incluso Einstein llamó "acción espeluznante a distancia".

Un mundo nuevo

El Efecto Túnel Cuántico permite a los electrones atravesar barreras que serían insuperables según las leyes de la física clásica, debido a la naturaleza probabilística de su existencia.

El FQHE, descubierto teóricamente en 1982, es el último episodio de esta cadena de sorpresas que nos aportan los electrones desde que los vimos aparecer y desaparecer en el interior de un átomo sin saber de dónde vienen y a dónde van.

Desde entonces solo hemos podido constatar la riqueza del comportamiento de los electrones. "Creo que la gente no aprecia cuán diferente es [el fraccionario] del efecto Hall cuántico anómalo", dice Ashvin Vishwanath, físico teórico de la Universidad de Harvard en Cambridge, citado por Nature. "Es un mundo nuevo", sentencia. Y avisa: “todavía quedan más misterios por descubrir”.

Referencias

Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene. Zhengguang Lu et al. Nature, volume 626, pages759–764 (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-07010-7

Observation of fractionally quantized anomalous Hall effect. Heonjoon Park et al. Nature volume 622, pages74–79 (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06536-0