Un aislante topológico podría ayudar a probar la Teoría de Campo Cuántico.
Una oscura clase de materiales podrían usarse para simular una gran cantidad de partículas exóticas predichas por los físicos, pero nunca observadas.
Los resultados preliminares, presentados el 14 de marzo en la apertura de la reunión de la Sociedad Física Americana en Portland, Oregon, sugieren que se ha creado un trozo lo bastante grande de un ‘aislante topológico’ como para probar las extrañas predicciones de la Teoría de Campo Cuántico — una versión de la mecánica cuántica que se usa comúnmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de un número de partículas inusuales, que, de reproducirse en el material, podrían mostrarse útiles para aplicaciones futuras tales como ruptura de códigos en ordenadores cuánticos o en espintrónica — la electrónica que depende del espín de las partículas además de su carga.
Ahora, Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg en Alemania, cree que ha creado un aislante topológico de telúrido de mercurio (HgTe) lo bastante grueso como para comprobar la teoría.
Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones en su exterior, pero actúan como aislantes en el interior. El origen de esta propiedad aparentemente mundana subyace en la forma en que los electrones se mueven a través del material. Los electrones portan un ‘espín’ mecánico cuántico que apunta ‘arriba’ o ‘abajo’. El espín normalmente es independiente del movimiento del electrón, pero dentro de los aislantes topológicos, los espines de los electrones están fuertemente relacionados con su movimiento.
El ‘multiverso’ en un chip
Tal relación entre espín y movimiento hace que los aislantes sean un buen medio en el que modelar algunas formulaciones de la Teoría de Campo Cuántico, dice Shoucheng Zhang, físico teórico de la Universidad de Stanford en California.
La Teoría de Campo Cuántico ha tenido un éxito extraordinario al describir el universo, pero algunas de sus predicciones se han resistido a su demostración. Algunas formulaciones sugieren la existencia de axiones — partículas de interacción débil propuestas para tener en cuenta la invisible ‘materia oscura’, que podrían contener casi un cuarto de la masa del universo. La teoría también permite la existencia de monopolos magnéticos, puntos de norte y sur aislados que nunca se han observado en la naturaleza.
“Vivimos en un tipo de universo, pero dentro de estos sólidos puedes crear esos universos inusuales”, dice Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton en New Jersey. “Eso es genial”.
Las partículas no serían las mismas que las predichas por la Teoría de Campo Cuántico – por ejemplo, un estudio de Zhang y sus colegas demuestra que los axiones podrían ser simulados como fluctuaciones en un campo magnético dentro de un aislante topológico1. Pero la analogía podría guiar a los científicos sobre dónde buscar el equivalente real de la partícula en el universo. Lanzando luz polarizada a través del aislante se podrían revelar signos claros de los axiones. Si los axiones existen en la realidad, entonces podría aparecer el mismo signo en la radiación del fondo de microondas cósmico, la radiación primordial dejada por el Big Bang.
Algunas de las partículas exóticas propuestas podrían tener también usos prácticos. Una clase, conocida como fermiones de Majorana, se predice que sean muy estables, pudiendo ser usados en computadores cuánticos para almacenar datos.
Cosas extrañas
El HgTe usado por Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta el momento sólo se ha visto el comportamiento de aislante topológico a lo largo de los bordes de finas porciones del material. En resultados preliminares presentados en un tutorial anterior a la reunión, Molenkamp reveló pruebas de que los electrones de la superficie de esta muestra tridimensional se comportaban como se supone que lo harían en un aislante topológico. “Si todo esto funciona, podemos comprobar experimentalmente la Teoría de Campo Cuántico”, dice.
Si el HgTe cumple con las expectativas, Molenkamp dice que puede empezar pronto la búsqueda de “cosas raras” que se predice que vivan dentro de él.
Yazdani, que trabaja con una clase de material alternativo basado en el bismuto, dice que si Molenkamp ha logrado los resultados que describe, sería un paso adelante significativo para el campo. Pero, añade: “No he visto sus datos, por lo que no puedo decir cómo de convincentes son”.
Zhang dice que los resultados son emocionantes. No obstante, reconoce que aunque los axiones y monopolos podrían vivir dentro de un aislante topológico, eso no significa que existan en el mundo real. “Eso no significa que los vayamos a ver en el universo”, comenta. “Pero al menos nos dirá si las ecuaciones son una locura o no”
Referencias: 1. Li, R. , Wang, J. , Qi, X.-L. & Zhang, S.-C. Nature Phys. doi:10.1038/nphys1534 (2010).
Autor: Geoff Brumfiel
Fecha Original: 16 de marzo de 2010
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