Descubren material exótico hecho de bosones

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Tome un enrejado, una sección plana de una cuadrícula de celdas uniformes, como una pantalla de ventana o un panal, y coloque otro enrejado similar encima.

Pero en lugar de tratar de alinear los bordes o las celdas de ambas redes, dé un giro a la cuadrícula superior para que pueda ver partes de la inferior a través de ella.

Este nuevo tercer patrón es un muaré, y es entre este tipo de disposición superpuesta de redes de diseleniuro de tungsteno y disulfuro de tungsteno donde los físicos de la UC Santa Bárbara encontraron algunos comportamientos materiales interesantes.

“Descubrimos un nuevo estado de la materia: un aislante bosónico correlacionado”, dijo Richen Xiong, estudiante de posgrado investigador en el grupo del físico de materia condensada de la UCSB Chenhao Jin, y autor principal del artículo.

Según Xiong, Jin y colaboradores de la UCSB, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, esta es la primera vez que se crea un material de este tipo en un sistema de materia “real” (en lugar de sintético).

El material único es un cristal altamente ordenado de partículas bosónicas llamadas excitones.

“Convencionalmente, las personas han dedicado la mayor parte de sus esfuerzos a comprender qué sucede cuando juntas muchos fermiones”, dijo Jin.

“El objetivo principal de nuestro trabajo es que básicamente creamos un nuevo material a partir de bosones que interactúan”.

Las partículas subatómicas vienen en uno de dos tipos amplios: fermiones y bosones. Una de las mayores distinciones está en su comportamiento, dijo Jin.

“Los bosones pueden ocupar el mismo nivel de energía; A los fermiones no les gusta permanecer juntos”, dijo.

“Juntos, estos comportamientos construyen el universo tal como lo conocemos”.

Los fermiones, como los electrones, son la base de la materia con la que estamos más familiarizados, ya que son estables e interactúan a través de la fuerza electrostática.

Mientras tanto, los bosones, como los fotones (partículas de luz), tienden a ser más difíciles de crear o manipular, ya que son fugaces o no interactúan entre sí.

Una pista de sus distintos comportamientos está en sus diferentes características mecánicas cuánticas, explicó Xiong.

Los fermiones tienen “espines” semienteros como 1/2 o 3/2, mientras que los bosones tienen espines enteros (1, 2, etc.).

Un excitón es un estado en el que un electrón cargado negativamente (un fermión) está unido a su “agujero” opuesto cargado positivamente (otro fermión), con los dos giros semienteros juntos convirtiéndose en un entero entero, creando una partícula bosónica.

Para crear e identificar excitones en su sistema, los investigadores colocaron las dos redes en capas y las iluminaron con luces intensas en un método que llaman “espectroscopia de sonda de bomba”.

La combinación de partículas de cada una de las redes (electrones del disulfuro de tungsteno y los agujeros del diseleniuro de tungsteno) y la luz crearon un ambiente favorable para la formación e interacciones entre los excitones, al tiempo que permitieron a los investigadores investigar el comportamiento de estas partículas.

“Y cuando estos excitones alcanzaron cierta densidad, ya no pudieron moverse”, dijo Jin.

Gracias a fuertes interacciones, los comportamientos colectivos de estas partículas a cierta densidad las obligaron a entrar en un estado cristalino y crearon un efecto aislante debido a su inmovilidad.

“Lo que sucedió aquí es que descubrimos la correlación que llevó a los bosones a un estado altamente ordenado”, agregó Xiong.

En general, una colección suelta de bosones bajo temperaturas ultrafrías formará un condensado, pero en este sistema, con luz y mayor densidad e interacción a temperaturas relativamente más altas, se organizaron en un aislador sólido simétrico y de carga neutra.

La creación de este estado exótico de la materia demuestra que la plataforma moiré y la espectroscopia de sonda de bomba de los investigadores podrían convertirse en un medio importante para crear e investigar materiales bosónicos.

“Hay muchas fases de cuerpo con fermiones que dan como resultado cosas como la superconductividad”, dijo Xiong.

“También hay contrapartes de muchos cuerpos con bosones que también son fases exóticas.

Entonces, lo que hicimos fue crear una plataforma, porque realmente no teníamos una excelente manera de estudiar bosones en materiales reales”.

Si bien los excitones están bien estudiados, agregó, hasta este proyecto no había habido una forma de persuadirlos para que interactúen fuertemente entre sí.

Con su método, según Jin, podría ser posible no solo estudiar partículas bosónicas conocidas como los excitones, sino también abrir más ventanas al mundo de la materia condensada con nuevos materiales bosónicos.

“Sabemos que algunos materiales tienen propiedades muy extrañas”, dijo.

“Y uno de los objetivos de la física de la materia condensada es comprender por qué tienen estas ricas propiedades y encontrar formas de hacer que estos comportamientos se manifiesten de manera más confiable”.

Fuente: Science