Descubren un nuevo estado de la materia parecido al líquido

Sólido, líquido y gaseoso. En el mundo cotidiano, estos son los tres estados de la materia que nos rodean y con los que convivimos día a día. Pero a escala cuántica, sin embargo, esto puede variar: en temperaturas cercanas a cero, cosas más pequeñas que la fracción de un átomo o que tienen estados de energía extremadamente bajos se ven muy diferentes.

Y es que los efectos predecibles y más que conocidos que tienen lugar cuando las partículas chocan entre sí en cualquier sistema puede cambiar en los llamados estados cuánticos salvajes. En un sistema cuántico frustrado, existen infinitas posibilidades que se derivan de la interacción de las partículas (pueden, por ejemplo, levitar o alejarse en un ángulo imposible). Y algunas de ellas pueden, a su vez, conducir a nuevos estados.

Tal ha sido el hallazgo que ha realizado un equipo liderado por Tigran Sedrakyan, profesor de la Universidad de Massachusetts, en un experimento cuyos resultados han sido publicados en la revista Nature.

Para ello, diseñaron una 'máquina de frustración', un dispositivo semiconductor bicapa en el que la capa superior es rica en electrones que pueden moverse libremente y la inferior está llena de 'agujeros' o lugares que puede ocupar un electrón errante. En ella, ambas capas se acercan mucho, lo que se conoce como un acercamiento interatómico.

La alteración se produce, precisamente, por la diferencia en el número de electrones y agujeros en cada capa. Si fueran iguales en cada una, las partículas actuarían de manera predecible y correlacionada. Pero en este caso, la capa inferior fue diseñada para que hubiera un desequilibrio local entre el número de electrones y huecos en ella. Tal y como explica Sedrakyan en el artículo, «es como un juego de sillas diseñado para frustrar a los electrones. En lugar de que cada electrón tenga una silla a la que ir, ahora deben revolverse y tener muchas posibilidades en donde 'sentarse'».

Los científicos han llamado a este estado 'Bose quiral' y tiene una serie de características sorprendentes. Si, por ejemplo, enfría la materia cuántica en un estado quiral hasta el cero absoluto, los electrones se congelan en un patrón predecible, y las partículas emergentes de carga neutra en este estado girarán en sentido horario o antihorario. Además, es sorprendentemente robusto e incluso puede usarse para codificar datos digitales con tolerancia a fallos: incluso si golpea otra partícula en uno de estos electrones o introduce un campo magnético, no puede alterar su giro.

Todavía más sorprendente es lo que sucede cuando una partícula exterior choca contra una de las partículas en el estado de borde quiral. En condiciones normales, se esperaría que, si las partículas fueran bolas de billar, la bola 8 saliera volando cuando la blanca la golpeara. Pero si por el contrario estuvieran en un estado líquido de Bose quiral, las 15 bolas reaccionarían exactamente de la misma manera cuando se golpeara la 8. Este efecto, en definitiva, se debe al entrelazamiento de largo alcance presente en este sistema cuántico.

Experimento

Para descubrir este estado, cuya razón de que haya pasado oculto tanto tiempo se debe a lo difícil que es de observar, el equipo de científicos, incluidos los físicos teóricos Rui Wang y Baigeng Wang (ambos de la Universidad de Nanjing), así como los físicos experimentales Lingjie Du (Universidad de Nanjing) y Rui-Rui Du (Universidad de Pekín), diseñó una teoría y un experimento que usó un campo magnético extremadamente fuerte capaz de medir los movimientos de los electrones.

«En el borde de la bicapa de semiconductores, los electrones y los huecos se mueven con las mismas velocidades. Esto conduce a un transporte de tipo helicoidal, que puede ser modulado aún más por campos magnéticos externos a medida que los canales de electrones y huecos se separan gradualmente bajo campos más altos», dice Lingjie Du.

Estos experimentos de magnetotransporte revelan con éxito la primera evidencia del líquido de Bose quiral, que los autores también llaman «orden topológico excitónico» en el artículo publicado.