By: Thomas Lewton
El zoológico de entidades parecidas a partículas que emergen espontáneamente conocido como cuasipartículas ha crecido rápidamente y se ha vuelto cada vez más exótico. A continuación, se muestran algunos de los ejemplos más curiosos y potencialmente útiles.
l despertar en una realidad alternativa, Harry Kim, un oficial a bordo de la nave espacial USS Voyager, crea una distorsión en el continuo espacio-tiempo con un rayo de polarones. ¿Suena a ciencia ficción? Bueno, sí, pero solo en parte.
“A Star Trek le encantaba tomar los nombres de las cuasipartículas reales y atribuirles propiedades mágicas ”, dijo Douglas Natelson , físico de la Universidad Rice en Texas, cuyo trabajo consiste en crear cuasipartículas reales con propiedades casi mágicas.
Las cuasipartículas son una especie de partículas. Prohibida la entrada del exclusivo club de 17 partículas “fundamentales” que se cree que son los bloques de construcción de toda la realidad material, las cuasipartículas emergen de las complicadas interacciones entre un gran número de esas partículas fundamentales. Los físicos pueden tomar un sólido, líquido o plasma hecho de una gran cantidad de partículas, someterlo a temperaturas y presiones extremas, y describir el sistema resultante como unas pocas entidades robustas, similares a partículas. Las cuasipartículas emergentes pueden ser bastante estables con propiedades bien definidas como masa y carga.
Los polarones, por ejemplo, descubiertos por Lev Landau en 1933 y con un cameo en Star Trek: Voyager en 1995, se materializan cuando muchos electrones quedan atrapados dentro de un cristal. El empujón y el tirón entre cada electrón y todas las partículas en su entorno “visten” al electrón para que actúe como una cuasipartícula con una masa mayor.
En otros tipos de materia condensada que han dominado la investigación durante las últimas décadas, las cosas se ponen mucho más extrañas. Los investigadores pueden crear cuasipartículas que tienen una fracción precisa de la carga o espín del electrón (una especie de momento angular intrínseco). Aún no se comprende cómo surgen estas propiedades exóticas. “Es literalmente como magia”, dijo Sankar Das Sarma , físico de materia condensada de la Universidad de Maryland.
Utilizando la intuición, las conjeturas fundamentadas y las simulaciones por computadora, los físicos de la materia condensada se han vuelto mejores para descubrir qué cuasipartículas son teóricamente posibles. Mientras tanto, en el laboratorio, a medida que los físicos llevan materiales novedosos a nuevos extremos, el zoológico de cuasipartículas ha crecido rápidamente y se ha vuelto cada vez más exótico. “Realmente es un logro intelectual imponente”, dijo Natelson.
Los descubrimientos recientes incluyen pi-tons , fractones inamovibles y arrugas deformadas . “Ahora pensamos en cuasipartículas con propiedades con las que nunca antes habíamos soñado”, dijo Steve Simon , físico teórico de materia condensada de la Universidad de Oxford.
Estas son algunas de las cuasipartículas más curiosas y potencialmente útiles.
Computación cuántica con Majoranas
Una de las primeras cuasipartículas descubiertas fue un “agujero”: simplemente la ausencia de un electrón en un lugar donde debería existir. Los físicos en la década de 1940 descubrieron que los agujeros saltan dentro de los sólidos como partículas cargadas positivamente. Más extrañas aún, y potencialmente muy útiles, son las hipótesis de las cuasipartículas de Majorana, que tienen una personalidad dividida: son medio electrón y medio agujero al mismo tiempo. “Es una locura”, dijo Das Sarma.
En 2010, Das Sarma y sus colaboradores argumentaron que las cuasipartículas de Majorana podrían usarse para crear computadoras cuánticas . Cuando mueves el electrón y el agujero uno alrededor del otro, almacenan información, como un patrón trenzado en dos cuerdas. Diferentes giros corresponden a los unos, ceros y superposiciones de unos y ceros que son los bits de la computación cuántica.
Hasta ahora, los esfuerzos para construir computadoras cuánticas efectivas han fracasado porque las superposiciones cuánticas de la mayoría de los tipos de partículas se desmoronan cuando se calientan demasiado o cuando chocan con otras partículas. No es así para las cuasipartículas de Majorana. Su composición inusual los dota de energía cero y carga cero, y esto teóricamente les permite existir en el interior de un cierto tipo de superconductor, un material que conduce la electricidad sin resistencia. No pueden existir otras partículas allí, creando un “espacio” que hace imposible que la Majorana se descomponga. “La brecha superconductora protege a la Majorana”, dijo Das Sarma, al menos en teoría.
Desde 2010, los experimentadores se han apresurado a construir cuasipartículas reales de Majorana a partir de un intrincado ensamblaje de un superconductor, un nanoalambre y un campo magnético. En 2018, un grupo de investigadores informó en Nature que habían observado firmas clave de Majoranas. Pero expertos externos cuestionaron aspectos del análisis de datos y, a principios de este mes, el artículo fue retirado .
Una cosa es pensar en una posible cuasipartícula y otra es observarla en un experimento donde las temperaturas están cercanas al cero absoluto, las muestras se construyen átomo por átomo y pequeñas impurezas pueden descarrilar todo.
Das Sarma no se inmuta. “Te garantizo que el Majorana será visto, porque su teoría es prístina. Este es un problema de ingeniería; esto no es un problema de física ”, dijo.
Un agujero negro hecho de polaritones
El creciente zoológico de cuasipartículas, con su variedad de caracteres inusuales, ofrece a los físicos un conjunto de herramientas con el que pueden construir análogos de otros sistemas a los que es difícil o imposible acceder, como los agujeros negros.
“Con estos análogos queremos ir y sondear la física que no podemos tocar con nuestras manos”, dijo Maxime Jacquet del Laboratorio Kastler-Brossel de la Universidad de la Sorbona en París.
Los agujeros negros se forman en el cosmos donde la gravedad se vuelve tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Puede hacer una analogía simple de un agujero negro sacando el tapón de su bañera y viendo el agua girar por el desagüe: las ondas de agua que se acercan demasiado al desagüe son absorbidas ineludiblemente por el vórtice. Puede hacer una analogía aún mejor, como están haciendo Jacquet y sus colaboradores, con las cuasipartículas llamadas polaritones .
La imagen de la izquierda muestra la densidad del fluido en diferentes lugares, donde el borde del centro oscuro es como el horizonte de eventos de un agujero negro.
A la derecha, un mapa de la fase del fluido revela su flujo de vórtice.
Los polaritones son mezclas de materia y luz. Los investigadores usan dos espejos para atrapar un fotón dentro de una jaula que también contiene un excitón, en sí mismo una especie de cuasipartícula hecha de un electrón y un agujero que se orbitan entre sí. (Un excitón es distinto de una cuasipartícula de Majorana, que es medio electrón y medio agujero en el mismo lugar al mismo tiempo). El fotón rebota entre los espejos aproximadamente un millón de veces antes de escapar y cuando rebota el fotón se mezcla con el excitón para formar un polaritón. Muchos fotones y excitones están enjaulados y combinados de esta manera, y estos polaritones se comportan en masa como luz líquida, que no tiene fricción y no se dispersa. Los investigadores han diseñado el flujo de estos polaritones para imitar cómo se mueve la luz alrededor de un agujero negro.
La luz líquida no es estable y, finalmente, el fotón se escapa. Es esta jaula con fugas la que le permite a Jacquet estudiar cómo evolucionan los agujeros negros con el tiempo. El físico matemático ganador del Premio Nobel Roger Penrose teorizó que los agujeros negros en rotación pueden perder energía y ralentizarse gradualmente; Jacquet planea probar esta idea con polaritones.
“Nadie puede decirle eso con la astrofísica, pero nosotros podemos”, dijo Jacquet, reconociendo que es un “salto” de estos experimentos de laboratorio a los avances de los agujeros negros reales.
Magnones eternos
Si una cuasipartícula puede descomponerse, finalmente se descompondrá. Un magnón, por ejemplo, una cuasipartícula formada por pedazos de campo magnético en movimiento a través de un material, puede descomponerse en otros dos magnones siempre que la energía de estos productos no sea mayor que la del magnón original.
Sin embargo, las cuasipartículas son bastante estables, supuestamente por dos razones: surgen de sistemas que se mantienen a temperaturas muy bajas, por lo que poseen poca energía para empezar, y solo interactúan entre sí de manera débil, por lo que hay pocas perturbaciones que las desencadenan para decaer. “Cuando hay muchos tira y afloja, la ingenua expectativa era que la descomposición solo sucedería más rápido”, dijo Ruben Verresen , físico de materia condensada de la Universidad de Harvard.
Pero la investigación de Verresen ha invertido esa imagen en su cabeza. En un artículo publicado en 2019 , él y sus colegas describieron cómo modelaron teóricamente las cuasipartículas en descomposición y luego aumentaron gradualmente la fuerza de las interacciones entre ellas para ver qué sucedía. Al principio, las cuasipartículas se descompusieron más rápidamente, como se esperaba. Pero luego, para sorpresa de Verresen, cuando la fuerza de la interacción se hizo muy fuerte, las cuasipartículas se recuperaron. “De repente, vuelve a tener una cuasipartícula que tiene una vida infinitamente larga”, dijo.
Luego, el equipo ejecutó una simulación por computadora que exploraba el comportamiento de un imán ultrafrío y vieron emerger magnones que no se descomponían. Demostraron que su nueva comprensión de las cuasipartículas que interactúan fuertemente podría explicar algunas características desconcertantes observadas en los experimentos de Magnon de 2017 . Más que una simple teoría, estos magnones eternos se realizan en la naturaleza.
Los hallazgos sugieren que las cuasipartículas pueden ser mucho más robustas de lo que los investigadores alguna vez pensaron. La línea entre partícula y cuasipartícula se vuelve borrosa. “No veo una diferencia fundamental”, dijo Verresen.
Las cuasipartículas surgen de arreglos de muchas partículas. Pero lo que llamamos partículas fundamentales, como quarks, fotones y electrones, puede que no sea tan elemental como pensamos. Algunos físicos sospechan que estas partículas aparentemente fundamentales también son emergentes, aunque nadie puede decir de qué exactamente.
“No conocemos la teoría fundamental de la que surgen realmente los electrones, fotones, etc. Creemos que existe un marco unificador ”, dijo Leon Balents , un teórico que investiga los estados cuánticos de la materia en la Universidad de California, Santa Bárbara. “Las cosas que consideramos partículas fundamentales probablemente no sean fundamentales; son cuasipartículas de alguna otra teoría “.
