Entre los muchos misterios de la física cuántica, las partículas subatómicas no siempre obedecen las reglas del mundo físico. Pueden existir en dos lugares a la vez, atravesar barreras sólidas e incluso comunicarse instantáneamente a través de grandes distancias. Estos comportamientos pueden parecer imposibles, pero en el ámbito cuántico, los científicos están explorando una serie de propiedades que antes se consideraban imposibles.
En un nuevo estudio, físicos de la Universidad de Brown han observado una nueva clase de partículas cuánticas llamadas excitones fraccionarios, que se comportan de maneras inesperadas y pueden ampliar significativamente la comprensión de los científicos sobre el reino cuántico.
“Nuestros resultados apuntan a una clase completamente nueva de partículas cuánticas que no llevan una carga general pero siguen estadísticas cuánticas únicas”, dijo Jia Li, profesor asociado de física en Brown. “Lo más emocionante es que este descubrimiento abre muchas nuevas fases cuánticas de la materia, ofrece una nueva frontera para futuras investigaciones, profundiza nuestra comprensión de la física fundamental e incluso abre nuevas posibilidades en la computación cuántica”.
Junto con Li, la investigación fue realizada por tres estudiantes de posgrado (Naiwan Zhang, Ron Nguyen y Nokitan Batra) y Dima Feldman, profesora de física en Brown. Zhang, Nguyen y Batra son coautores del artículo, que se publicó en la naturaleza.
El descubrimiento del equipo se centra en un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fraccionario, que se basa en el efecto Hall clásico, donde un campo magnético Se aplica una corriente eléctrica a un material para crear un voltaje lateral. El efecto Hall cuántico, que se produce a temperaturas extremadamente bajas y campos magnéticos elevados, muestra que la tensión lateral aumenta con saltos claros y distintos. es En el efecto Hall cuántico fraccionario, estos pasos se vuelven aún más extraños, aumentando sólo en una cantidad fraccionaria, tomando una fracción de la carga del electrón. hacer
En sus experimentos, los investigadores construyeron una estructura con dos finas capas de grafeno, un nanomaterial bidimensional, separadas por un cristal aislante de nitruro de boro hexagonal. Esta configuración les permitió controlar cuidadosamente el movimiento de las cargas eléctricas. También les permitió crear partículas llamadas excitones, que se forman por la combinación de un electrón y la ausencia de un electrón llamado hueco. Luego expusieron el sistema a campos magnéticos increíblemente fuertes, millones de veces más fuertes que los de la Tierra. Esto permitió al equipo observar nuevas excitaciones fraccionarias, que mostraban un conjunto inusual de comportamientos.
Las partículas primarias generalmente se dividen en dos categorías. Los bosones son partículas que pueden compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que muchos de ellos pueden existir juntos sin restricciones. Los fermiones, por otro lado, obedecen al conocido como principio de exclusión de Pauli, que establece que no hay dos fermiones que puedan ocupar el mismo estado cuántico.
Sin embargo, los excitones parciales observados en el experimento no encajaban claramente en ninguna de las categorías. Si bien tenían las cargas parciales esperadas en el experimento, su comportamiento mostró las tendencias tanto de los bosones como de los fermiones, actuando casi como un híbrido de los dos. Esto los hacía similares a los aniones, un tipo de partícula que se encuentra entre fermiones y bosones; sin embargo, los excitones fraccionados tenían propiedades únicas que los diferenciaban.
“Este comportamiento inesperado sugiere que los excitones parciales pueden representar una clase completamente nueva de partículas con propiedades cuánticas únicas”, dijo Zhang. “Demostramos que los excitones pueden existir en sistemas Hall cuánticos fraccionarios y que algunos de estos excitones surgen de pares de partículas parcialmente cargadas, creando excitones fraccionarios que se comportan como bosones. No es así”.
El equipo observó que la existencia de una nueva clase de partículas algún día podría ayudar a mejorar la forma en que se almacena y manipula la información a nivel cuántico, lo que conduciría a computadoras cuánticas más rápidas y confiables.
“Básicamente, hemos abierto una dimensión completamente nueva para explorar y abordar este fenómeno, y apenas estamos comenzando a arañar la superficie”, dijo Lee. “Esta es la primera vez que demostramos experimentalmente que este tipo de partículas existen, y ahora estamos profundizando en lo que podría surgir de ellas”.
Los próximos pasos del equipo incluirán estudiar cómo interactúan estos excitones fraccionados y si su comportamiento puede controlarse.
“Parece como si tuviéramos el dedo en el botón de la mecánica cuántica”, dijo Feldman. “Este es un aspecto de la mecánica cuántica que no conocíamos o, al menos, no apreciamos hasta ahora”.
