Aconsegueixen detectar un nou estat de la matèria

Un equip internacional d'investigadors acaba de trobar proves concretes d'un nou i misteriós estat de la matèria, predit per la teoria fa ja quatre dècades, però que fins ara no havia estat detectat en cap material real. Aquest estat, conegut com líquid de spin quàntic, causa que els electrons, considerats com un dels maons indivisibles de la matèria, es trenquin a trossos.

Els científics, entre els quals s'inclou un equip de físics de la Universitat de Cambridge, han aconseguit mesurar per primera vegada la "signatura" d'aquestes partícules fraccionades, conegudes com els fermions de Majorana, a l'interior d'un material bidimensional que té una estructura semblant a la del grafè. Els resultats experimentals coincideixen plenament amb els models teòrics del líquid de spin quàntic descrits en el model Kitaev, i ho van publicar fa pocs mesos a Nature Materials. Fins ara, es pensava que aquest misteriós nou estat de la matèria s'amagava a l'interior de certs materials magnètics, però ningú havia aconseguit detectar-lo a la natura.

Per això, l'observació directa d'una de les seves propietats més intrigants (el fraccionament d'electrons) en un material real constitueix tota una fita per a la Física. Els fermions de Majorana resultants del trencament dels electrons es podrien utilitzar com a base per a futurs ordinadors quàntics, moltíssim més potents i ràpids que qualsevol ordinador convencional i que seran capaços de dur a terme càlculs que resulten impossibles d'abordar amb la tecnologia actual.

"Estem davant d'un nou estat quàntic de la matèria que havia estat predit però que mai havia estat observat amb anterioritat", afirma Johannes Knolle, un dels autors de l'estudi. En un típic material magnètic, cada electró es comporta com si fos un petit imant. I quan el material que conté aquests electrons es refreda prou, aquests diminuts imants es reordenen espontàniament, de manera que, per exemple, tots els pols nords magnètics apunten en la mateixa direcció.

Però en un material el qual es de l'estat líquid de spin les coses funcionen de manera molt diferent. De fet, i encara que es refredi aquest material fins al zero absolut (-273 graus centígrads), els imams no s'alineen, sinó que formen una mena de sopa quàntica de partícules entrellaçades que segueix el ritme de les fluctuacions quàntiques.

"Fins fa poc temps ni tan sols sabíem quines serien les empremtes que hauríem de buscar per detectar un estat líquid de spin quàntic", explica Dmitry Kovrizhin, un altre dels autors del treball  i continua "Per això, el que vam fer en treballs anteriors va ser precisament preguntar-nos què és el que hauríem d'observar si estiguéssim duent a terme experiments sobre un possible líquid de spin quàntic".
Per dur a terme els seus experiments, Knolle i Kovrizhin van utilitzar tècniques de dispersió de neutrons per tractar d'obtenir evidències experimentals de fraccionament d'electrons en cristalls de clorur de ruteni (RuCl3). Els científics van sotmetre a prova les propietats magnètiques dels vidres il·luminant amb neutrons, i observant després els patrons de les ondulacions magnètiques que els neutrons dibuixaven sobre una pantalla.

Un imant corrent crearia diferents punts de tall, però era un misteri saber quin tipus de patró adoptarien els fermions de Majorana en un estat de líquid de spin quàntic. I va resultar que les prediccions teòriques sobre la forma que tindrien aquestes signatures, dutes a terme al 2014 pel mateix Knolle i els seus col·laboradors, van coincidir amb el que els investigadors van observar en pantalla després els seus experiments. Es tractava de la primera evidència directa d'un estat líquid de spin quàntic i de fraccionament d'electrons en un material bidimensional obtingut per la Física.

"Hem aconseguit afegir-ne un a la curta llista d'estats quàntics de la matèria. Es tracta d'un pas important per comprendre les seves propietats quàntiques. I resulta divertit tenir un nou estat quàntic que mai ningú havia vist abans, perquè ens obre possibilitats de provar coses noves", explica Knolle.


Font: ABC