Electrones dejan de ser partículas y la física sigue funcionando

La física cuántica ha demostrado que los electrones no se comportan como objetos sólidos con ubicaciones fijas. En cambio, actúan más como ondas, lo que implica que su posición exacta en el espacio no puede conocerse con precisión. Sin embargo, en muchas situaciones cotidianas, los científicos pueden describir a los electrones como pequeños objetos que se mueven a través del espacio a una velocidad específica.

Este enfoque resulta efectivo para explicar cómo fluye la electricidad a través de los metales. Los físicos a menudo describen la corriente eléctrica como electrones que se desplazan por un material, siendo empujados o redirigidos por fuerzas electromagnéticas durante su movimiento.

La validez de la imagen de partículas

Muchas teorías modernas también dependen de esta visión basada en partículas, incluyendo la idea de los estados topológicos de la materia. Estos estados son tan importantes que su descubrimiento fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2016. A pesar de su complejidad matemática, estas teorías asumen que los electrones se comportan como partículas con un movimiento definido.

No obstante, investigadores de la Universidad Técnica de Viena han encontrado que esta imagen no se aplica a todos los materiales. En ciertos casos, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales con una posición clara o una velocidad bien definida.

Topología sin partículas

Los científicos de TU Wien demostraron que incluso cuando la imagen de partículas falla, los materiales pueden exhibir propiedades topológicas. Hasta ahora, se pensaba que estas propiedades dependían del comportamiento similar al de las partículas.

Este hallazgo revela algo inesperado: los estados topológicos no están limitados a sistemas donde los electrones actúan como partículas. En cambio, estos estados resultan ser mucho más universales, integrando ideas que antes parecían incompatibles.

Cuando la imagen de partículas deja de tener sentido

La profesora Silke Bühler-Paschen, del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien, afirmó: "La imagen clásica de los electrones como pequeñas partículas que sufren colisiones mientras fluyen a través de un material como corriente eléctrica es sorprendentemente robusta". Sin embargo, existen casos extremos donde esta descripción se descompone por completo. En estas situaciones, los portadores de carga pierden su naturaleza similar a partículas.

Este comportamiento se observó en un compuesto de cerio, rutenio y estaño (CeRu₄Sn₆), que los investigadores de TU Wien estudiaron a temperaturas extremadamente bajas.

La autora principal del estudio, Diana Kirschbaum, explicó: "Cerca del cero absoluto, exhibe un tipo específico de comportamiento cuántico crítico. El material fluctúa entre dos estados diferentes, como si no pudiera decidir cuál adoptar. En este régimen fluctuante, se considera que la imagen de los cuasipartículas pierde su significado".

Topología explicada con manzanas y bollos

Al mismo tiempo, trabajos teóricos sugirieron que este mismo material debería albergar estados topológicos. La profesora Bühler-Paschen explicó: "El término topología proviene de las matemáticas, donde se utiliza para distinguir ciertas estructuras geométricas".

Por ejemplo, una manzana es topológicamente equivalente a un bollo, porque el bollo puede deformarse continuamente en la forma de una manzana. Sin embargo, un bollo es topológicamente diferente de un donut, ya que el donut tiene un agujero que no puede crearse mediante deformación continua.

Los físicos utilizan ideas similares para describir los estados de la materia. Propiedades como la energía de las partículas, la velocidad e incluso la orientación del spin en relación con el movimiento pueden seguir patrones geométricos estrictos. Estos patrones son notablemente estables. Imperfecciones menores en un material no los eliminan, así como pequeños cambios en la forma no pueden transformar un donut en una manzana.

Esta estabilidad hace que los efectos topológicos sean especialmente atractivos para tecnologías como el almacenamiento de datos cuánticos, sensores avanzados y métodos para guiar corrientes eléctricas sin utilizar campos magnéticos.

Una teoría que no debería haber funcionado

Aunque la topología puede parecer abstracta, las teorías anteriores aún dependían de la suposición de que las partículas tienen un movimiento bien definido. Kirschbaum explicó: "Estas teorías asumen que se describe algo con velocidades y energías bien definidas". Sin embargo, tales velocidades y energías bien definidas no parecen existir en nuestro material, ya que exhibe un comportamiento cuántico crítico que se considera incompatible con una imagen de partículas.

Esto creó una contradicción desconcertante entre la teoría y el comportamiento físico.

La curiosidad lleva a un avance

Debido a este conflicto, el equipo de Bühler-Paschen fue inicialmente reacio a seguir adelante con la predicción teórica. Con el tiempo, la curiosidad prevaleció, y Kirschbaum comenzó a buscar signos experimentales de topología.

A temperaturas inferiores a un grado sobre el cero absoluto, observó una señal clara. El material mostró un efecto Hall espontáneo (anómalo), un fenómeno que normalmente ocurre cuando los portadores de carga son desviados por un campo magnético.

Sin embargo, en este caso, la desviación apareció sin ningún campo magnético externo. En cambio, surgió de las propiedades topológicas del material. Aún más sorprendente, los portadores de carga se comportaron como si fueran partículas, a pesar de la fuerte evidencia de que la imagen de partículas no debería aplicarse.

"Este fue el hallazgo clave que nos permitió demostrar sin lugar a dudas que la visión predominante debe ser revisada", afirmó Bühler-Paschen.

"Y hay más", agregó Kirschbaum. "El efecto topológico es más fuerte precisamente donde el material exhibe las mayores fluctuaciones. Cuando estas fluctuaciones se suprimen por presión o campos magnéticos, las propiedades topológicas desaparecen".

Una visión más amplia de la materia topológica

"Esto fue una gran sorpresa", dijo Bühler-Paschen. "Demuestra que los estados topológicos deben definirse en términos generalizados".

Los investigadores describieron la nueva fase identificada como un semimetal topológico emergente. Trabajaron con colaboradores de la Universidad Rice en Texas, donde Lei Chen (coautor principal de la publicación), parte del grupo de investigación del profesor Qimiao Si, desarrolló un modelo teórico que vincula con éxito la criticidad cuántica con la topología.

"De hecho, resulta que no se requiere una imagen de partículas para generar propiedades topológicas", afirmó Bühler-Paschen. "El concepto puede generalizarse: las distinciones topológicas emergen de una manera más abstracta y matemática. Y más que eso: nuestros experimentos sugieren que las propiedades topológicas pueden surgir incluso porque los estados similares a partículas están ausentes".

Nuevos caminos para descubrir materiales cuánticos

El descubrimiento también tiene importancia práctica. Sugiere una nueva forma de buscar materiales topológicos al centrarse en sistemas que exhiben comportamiento cuántico crítico.

"Ahora sabemos que vale la pena, quizás incluso particularmente, buscar propiedades topológicas en materiales cuánticos críticos", afirmó Bühler-Paschen. "Debido a que el comportamiento cuántico crítico ocurre en muchas clases de materiales y puede identificarse de manera confiable, esta conexión puede permitir el descubrimiento de muchos nuevos materiales topológicos 'emergentes'".

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