Entre los muchos misterios de la física cuántica, las partículas subatómicas no siempre obedecen las leyes del mundo físico. Pueden estar en dos lugares a la vez, superar obstáculos difíciles e incluso comunicarse a través de grandes distancias al instante. Estos comportamientos pueden parecer imposibles, pero en el ámbito cuántico, los científicos están explorando propiedades de una matriz que antes se consideraba imposible.
En un nuevo estudio, físicos de la Universidad de Brown han observado una nueva clase de partículas cuánticas llamadas excitones fraccionarios, que se comportan de maneras inesperadas y podrían ampliar significativamente la comprensión de los científicos sobre el reino cuántico.
“Nuestros resultados apuntan a una clase completamente nueva de partículas cuánticas que no llevan carga general pero siguen estadísticas cuánticas únicas”, dijo Jia Li, profesor asociado de física en Brown. “La parte más emocionante es que este descubrimiento abre una serie de nuevas fases cuánticas de la materia, presenta una nueva frontera para futuras investigaciones, profundiza nuestra comprensión de la física fundamental e incluso abre nuevas posibilidades para la computación cuántica”.
Junto con Li, la investigación fue realizada por tres estudiantes de posgrado (Naiyuan Zhang, Ron Nguyen y Navketan Batra) y la profesora de física de Brown, Dima Feldman. Zhang, Nguyen y Batra son coautores del artículo, que fue publicado la naturaleza.
El descubrimiento del equipo se centra en un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fraccionario, que se basa en el efecto Hall clásico, en el que se aplica un campo magnético a un material con una corriente eléctrica para crear un voltaje ambiental. El efecto Hall cuántico, que se produce a temperaturas extremadamente bajas y campos magnéticos elevados, muestra que la tensión en este lado aumenta en saltos claros y discretos. En el efecto Hall cuántico fraccionario, estos pasos se vuelven aún más peculiares, aumentando sólo en una cantidad fraccionaria: un electrón que lleva una fracción de la carga.
En sus experimentos, los investigadores construyeron una estructura con dos finas capas de grafeno, un nanomaterial bidimensional, separadas por un cristal aislante de nitruro de boro hexagonal. Esta configuración les permite controlar cuidadosamente el movimiento de las cargas eléctricas. Esto les permite crear partículas conocidas como excitones, que están compuestas por un electrón y la ausencia de un electrón conocida como hueco. Luego expusieron el sistema a un campo magnético increíblemente fuerte, millones de veces más fuerte que el de la Tierra. Esto permitió al equipo observar nuevos excitones fraccionados, que mostraban un conjunto inusual de comportamientos.
Las partículas fundamentales generalmente se dividen en dos categorías. Los bosones son partículas que pueden compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que pueden coexistir sin muchas restricciones. Los fermiones, por otro lado, obedecen al conocido como principio de exclusión de Pauli, que establece que no hay dos fermiones que puedan ocupar el mismo estado cuántico.
Sin embargo, los excitones fraccionarios observados en los experimentos no encajaban claramente en ninguna de las categorías. Aunque se esperaban cargas fraccionarias en sus experimentos, su comportamiento muestra la tendencia tanto de los bosones como de los fermiones, actuando casi como un híbrido de los dos. Esto los hacía más parecidos a los excitones, un tipo de partícula que se encuentra entre los fermiones y los bosones; sin embargo, los excitones fraccionados tenían propiedades únicas que los diferenciaban de los demás.
“Este comportamiento inesperado sugiere que los excitones fraccionarios pueden representar partículas completamente nuevas con propiedades cuánticas únicas”, dijo Zhang. “Demostramos que los excitones pueden existir en el régimen cuántico fraccionario de Hall y que algunos de estos excitones surgen de pares de partículas cargadas fraccionariamente, produciendo excitones fraccionarios que no se comportan como bosones”.
La existencia de una nueva clase de partículas podría algún día ayudar a mejorar las formas de almacenar y manipular información a nivel cuántico, lo que conduciría a computadoras cuánticas más rápidas y confiables, señaló el equipo.
“Básicamente, hemos desbloqueado una nueva dimensión para explorar y manipular este fenómeno, y apenas estamos comenzando a arañar la superficie”, dijo Lee. “Esta es la primera vez que demostramos experimentalmente que tales partículas existen, y ahora estamos profundizando en lo que podría surgir de ellas”.
Los próximos pasos del equipo implican estudiar cómo interactúan estas excitaciones fraccionarias y si su comportamiento puede controlarse.
“Parece que tenemos el dedo en el mango de la mecánica cuántica”, dijo Feldman. “Este es un aspecto de la mecánica cuántica que no conocíamos o, al menos, no apreciamos hasta ahora”.