La física cuántica muestra que las partículas no se comportan como cuerpos sólidos con posiciones fijas. En cambio, actúan más como ondas, lo que significa que no se conoce con precisión su posición exacta en el espacio. Sin embargo, en muchas situaciones cotidianas, los científicos todavía pueden describir partículas de una manera clásica y familiar. Los representan como objetos diminutos que se mueven por el espacio a cierta velocidad.
Este método funciona bien para explicar cómo fluye la electricidad a través de los metales. Los físicos suelen describir la corriente eléctrica como electrones que se mueven a través de un material, empujados o redirigidos por fuerzas electromagnéticas a medida que se mueven.
Por qué las imágenes de partículas suelen funcionar
Muchas teorías modernas también se basan en esta visión basada en partículas, incluido el concepto de estados topológicos de la materia. Estos estados son tan importantes que su descubrimiento fue reconocido en 2016 con el Premio Nobel de Física. A pesar de sus matemáticas avanzadas, estas teorías todavía suponen que los electrones se comportan como partículas con movimientos definidos.
Sin embargo, los investigadores han descubierto que esta imagen no se aplica a todos los materiales (ver publicación a continuación). En algunos casos, el electrón ya no se comporta como una partícula individual con una posición definida o una velocidad única y definida.
Topología sin partículas
Los científicos de la Universidad Técnica de Viena han demostrado que incluso cuando falla la imagen de partículas, los materiales aún 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 se limitan a sistemas donde los electrones se comportan como partículas. En cambio, estos estados resultan ser mucho más universales y reúnen conceptos que antes parecían incompatibles.
Cuando la imagen de partículas ya no tiene sentido
“La imagen clásica de los electrones como partículas diminutas que sufren colisiones mientras fluyen a través de un material como una corriente eléctrica” es sorprendentemente poderosa, dice la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. “Con ciertas mejoras, también funciona en materiales complejos donde los electrones interactúan fuertemente entre sí”.
Sin embargo, hay casos extremos en los que esta descripción se rompe por completo. En esta situación, los portadores de carga pierden su naturaleza de partículas. Este comportamiento se demuestra en un compuesto de cerio, rutenio y estaño (CeRu₄Sn₆), que fue estudiado a temperaturas extremadamente bajas por investigadores de la Universidad Técnica de Viena.
“Cerca del cero absoluto, exhibe un cierto tipo de comportamiento cuántico crítico”, dijo Diana Kirschbaum, primera autora de la publicación actual. “La materia fluctúa entre dos estados diferentes, como si no pudiera decidir cuál quiere adoptar. En este régimen fluctuante, se cree que la imagen de las cuasipartículas pierde su significado”.
Topología ilustrada con panecillos y donas.
Al mismo tiempo, el trabajo teórico ha sugerido que este mismo material debería albergar estados topológicos. “El término topología proviene de las matemáticas, donde se utiliza para distinguir determinadas estructuras geométricas”, explica Silke Bühler-Paschen.
“Por ejemplo, una manzana es topológicamente equivalente a un panecillo, porque el panecillo se puede deformar continuamente hasta darle la forma de una manzana. Un panecillo es topológicamente diferente de un donut, porque el donut tiene un agujero que no se puede hacer mediante deformación continua”.
Los físicos utilizan conceptos similares para describir los estados de la materia. Propiedades como la orientación del espín en relación con la energía de las partículas, la velocidad e incluso la rapidez pueden seguir patrones geométricos estrictos. Estos patrones son notablemente estables. Las imperfecciones menores en un ingrediente no las borran, del mismo modo que los cambios menores de tamaño no pueden transformar un donut en una manzana.
Esta estabilidad hace que los efectos topológicos sean particularmente atractivos para tecnologías como el almacenamiento de datos cuánticos, sensores avanzados y métodos de conducción de corrientes eléctricas sin utilizar campos magnéticos.
Una teoría que no debería funcionar.
Aunque la topología puede parecer abstracta, las teorías pasadas todavía se basan en el supuesto de que el movimiento de las partículas está bien definido. “Estas teorías suponen que se describe algo con una velocidad y una fuerza bien definidas”, explica Diana Kirschbaum.
“Pero tales velocidades y energías bien definidas no parecen existir en nuestro material, porque exhibe una forma de comportamiento cuántico crítico que se cree que es incompatible con una imagen de partículas. Sin embargo, los enfoques teóricos generales que ignoran estas propiedades no similares a las de las partículas predijeron previamente que los materiales deberían exhibir picos característicos”.
Esto creó una sorprendente contradicción entre la teoría y el comportamiento físico.
La curiosidad conduce a un gran avance
Debido a esta contradicción, el equipo de Bühler-Paschen inicialmente se mostró reacio a llevar más allá las predicciones teóricas. Con el tiempo, la curiosidad se impuso y Diana Kirschbaum comenzó a buscar signos experimentales de topología.
A temperaturas inferiores a un grado por encima del cero absoluto, percibió una señal clara. El material presenta un efecto Hall espontáneo (superfluo), un fenómeno que suele ocurrir cuando los portadores de carga son desviados por un campo magnético.
Sin embargo, en este caso la desviación se produjo sin ningún campo magnético externo. Más bien, se deriva de las propiedades topológicas del material. Aún más interesante es que los portadores de carga se comportaron como si fueran partículas, a pesar de la fuerte evidencia de que la imagen de las partículas no debería aplicarse.
“Esta fue la idea clave que nos permitió demostrar sin lugar a dudas que las opiniones existentes deberían revisarse”, afirma Silke Bühler-Paschen.
“Y aún hay más”, añade Diana Kirschbaum. “El efecto topológico es más fuerte allí donde el material presenta las mayores fluctuaciones. Cuando estas fluctuaciones son suprimidas por la presión o los campos magnéticos, las características topológicas desaparecen”.
Una visión amplia de la materia topológica.
“Fue una gran sorpresa”, afirma Silke Bühler-Paschen. “Esto demuestra que los estados topológicos deben definirse en términos generalizados”.
Los investigadores describen la fase recién identificada como un semimetal topológico emergente. Trabajaron con colaboradores de la Universidad Rice en Texas, donde Lei Chen (coprimer autor de la publicación), parte del grupo de investigación del profesor Kimiao Si, desarrolló un modelo teórico que combina con éxito la criticidad cuántica con la topología.
“De hecho, resulta que no es necesaria una imagen de partículas para generar características topológicas”, afirma Bühler-Paschen. “De hecho, la idea se puede generalizar: las diferencias topológicas surgen de una manera más abstracta y matemática. Y más aún: nuestros experimentos sugieren que las propiedades topológicas pueden surgir incluso porque los estados similares a las partículas están ausentes”.
Nuevas formas de descubrir materiales cuánticos
El descubrimiento también tiene importancia práctica. Ofrece una nueva forma de investigar materiales topológicos centrándose en sistemas que exhiben un comportamiento cuántico crítico.
“Ahora sabemos que vale la pena, quizás incluso especialmente, buscar propiedades topológicas en materiales cuánticos críticos”, afirma Bühler-Paschen. “Dado que el comportamiento cuántico crítico se produce en muchas clases de materiales y puede detectarse de forma fiable, esta conexión podría permitir el descubrimiento de muchos nuevos materiales topológicos ‘emergentes'”.
