Logran detectar un nuevo estado de la materia

Un equipo internacional de investigadores acaba de encontrar pruebas concretas de un nuevo y misterioso estado de la materia, predicho por la teoría hace ya cuatro décadas pero que hasta ahora no había sido detectado en ningún material real. Dicho estado, conocido como «Líquido de spin cuántico», causa que los electrones, considerados como uno de los «ladrillos» indivisibles de la materia, se rompan en pedazos.

Los científicos, entre los que se incluye un equipo de físicos de la Universidad de Cambridge, han conseguido medir por primera vez la «firma» de estas partículas fraccionadas, conocidas como los «fermiones de Majorana», en el interior de un material bidimensional que tiene una estructura parecida a la del grafeno. Los resultados experimentales coinciden plenamente con los modelos teóricos del líquido de spin cuántico descritos en el modelo Kitaev, y acaban de publicarse en Nature Materials. Hasta ahora, se pensaba que este misterioso nuevo estado de la materia se ocultaba en el interior de ciertos materiales magnéticos, pero nadie había conseguido detectarlo en la Naturaleza.

Por eso, la observación directa de una de sus propiedades más intrigantes (el fraccionamiento de electrones) en un material real constituye todo un hito para la Física. Los fermiones de Majorana resultantes de la «rotura» de los electrones podrían utilizarse como base para futuros ordenadores cuánticos, muchísimo más potentes y rápidos que cualquier ordenador convencional y que serán capaces de llevar a cabo cálculos que resultan imposibles de abordar con la tecnología actual.

«Estamos ante un nuevo estado cuántico de la materia -afirma Johannes Knolle, uno de los autores del estudio- que había sido predicho pero que nunca había sido observado con anterioridad». En un típico material magnético, cada electrón se comporta como si fuera un pequeño imán. Y cuando el material que contiene esos electrones se enfría lo suficiente, esos diminutos «imanes» se reordenan espontáneamente, de forma que, por ejemplo, todos los «polos nortes magnéticos» apuntan en la misma dirección.

Pero en un material en el que se de el estado líquido de spin las cosas funcionan de forma muy diferente. De hecho, y aunque se enfríe ese material hasta el cero absoluto (-273 grados centígrados), los imanes no se alinean, sino que forman una especie de «sopa cuántica» de partículas entrelazadas que sigue el ritmo de las fluctuaciones cuánticas.

«Hasta hace poco tiempo -explica Dmitry Kovrizhin, otro de los autores del trabajo -ni siquiera sabíamos cuáles serían las huellas que deberíamos buscar para detectar un estado líquido de spin cuántico. Por eso, lo que hicimos en trabajos anteriores fue precisamente preguntarnos qué es lo que deberíamos de observar si estuviéramos llevando a cabo experimentos sobre un posible líquido de spin cuántico».

Para llevar a cabo sus experimentos, Knolle y Kovrizhin utilizaron técnicas de dispersión de neutrones para tratar de obtener evidencias experimentales de fraccionamiento de electrones en cristales de cloruro de rutenio (RuCl3). Los científicos sometieron a prueba las propiedades magnéticas de los cristales iluminándolos con neutrones, y observando después los patrones de las ondulaciones magnéticos que los neutrones dibujaban sobre una pantalla.

Un imán corriente crearía diferentes puntos de corte, pero era un misterio saber qué tipo de patrón adoptarían los fermiones de Majorana en un estado de líquido de spin cuántico. Y resultó que las predicciones teóricas sobre la forma que tendrían esas firmas, llevadas a cabo en 2014 por el propio Knolle y sus colaboradores, coincidieron con lo que los investigadores observaron en pantalla tras sus experimentos. Por lo que se trataba de la primera evidencia directa de un estado líquido de spin cuántico y de fraccionamiento de electrones en un material bidimensional obtenido por la Física.

«Hemos logrado añadir uno a la corta lista de estados cuánticos de la materia -explica Knolle-. Se trata de un paso importante para comprender sus propiedades cuánticas. Y resulta divertido tener un nuevo estado cuántico que nunca nadia había visto antes, porque nos abre posibilidades de probar cosas nuevas».