Primera evidencia sólida de que el electrón está formado por dos partículas distintas

Investigadores en los EE. UU. pueden haber encontrado la primera evidencia sólida de que el electrón está formado por dos partículas distintas.

Según N Phuan Ong y sus colegas de la Universidad de Princeton, la observación de la “separación espín-carga” en un material conocido como líquido de espín cuántico sugiere que el electrón no es una partícula “puntual” sin estructura como se piensa comúnmente, sino que se comporta como una con dos entidades separadas.

Los líquidos de espín cuántico (QSL) son materiales magnéticos sólidos que no pueden organizar sus momentos magnéticos (o espines) en un patrón regular y estable.

Este comportamiento llamado “frustrado” es muy diferente al de los ferroimanes ordinarios (en los que todos los espines apuntan en la misma dirección, ya sea “arriba” o “abajo“), o antiferromagnetos (en los que los espines apuntan en direcciones alternas, “arriba-abajo” o “abajo-arriba“).

La mecánica cuántica describe esta frustración sugiriendo que la orientación de los espines no es rígida.

En cambio, cambia constantemente de dirección de forma fluida para producir un conjunto entrelazado de spin-ups y spin-downs.

Gracias a este comportamiento, un líquido de centrifugado permanecerá en estado líquido incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde la mayoría de los materiales suelen congelarse en estado sólido.

Para describir este comportamiento en términos matemáticos, el fallecido premio Nobel Philip W Anderson, quien predijo la existencia de líquidos de espín en 1973, propuso que en el régimen cuántico, un electrón podría estar compuesto de dos partículas distintas.

La primera, conocido como “holón“, llevaría la carga negativa del electrón, mientras que la segunda partícula “espinón” llevaría su espín.

Anderson sugirió más tarde que esta separación espín-carga podría proporcionar un mecanismo microscópico para explicar las altas temperaturas de transición superconductoras (T_c) que se observaron en los óxidos de cobre, o cupratos, a partir de finales de la década de 1980.

En el nuevo estudio, Ong y los estudiantes de posgrado Peter Czajka y Tong Gao se propusieron identificar signos del espinón en el cloruro de rutenio (III), RuCl₃.

Este material antiferromagnético se parece mucho al modelo de panal de abeja ideal de Kitaev para un líquido de espín y experimenta una transición a un líquido de espín a una temperatura de 0,5 K en presencia de un fuerte campo magnético (entre 7 y 11,5 Tesla).

Este es el intervalo de campo en el que el estado líquido de espín es estable, explica Ong.

En sus experimentos, que detallan en Nature Physics, los investigadores colocaron cristales de RuCl₃ en un baño ultrafrío mantenido a temperaturas justo por encima del cero absoluto.

Luego aplicaron el campo magnético y una pequeña cantidad de calor a un borde de un cristal y monitorearon su conductividad térmica.

Según la teoría, los espinones, si están presentes, deberían aparecer como un patrón oscilante en el gráfico de conductividad térmica frente al campo magnético aplicado.

La cantidad de calor aplicada es extremadamente pequeña, lo que equivale a un cambio de temperatura de unas pocas centésimas de grado.

Esto significó que los investigadores tuvieron que controlar la temperatura de su muestra con mucho cuidado, mientras usaban termómetros muy sensibles para medir cómo cambiaba.

También hicieron sus mediciones en los cristales más puros disponibles, proporcionados por el grupo de David Mandrus en la Universidad de Tennessee-Knoxville y Stephen Nagler en la División de Dispersión de Neutrones del Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

En su estudio, que se realizó durante casi tres años, Ong, Czajka y Gao detectaron oscilaciones de temperatura que implican la presencia de espinones.

Estas excitaciones de espín que se mueven libremente pueden considerarse análogas (sin carga) a los electrones en un metal, aunque RuCl₃ es un excelente aislante con una gran banda prohibida electrónica.

En su trabajo anterior, los investigadores encontraron que estas oscilaciones se desvanecen lentamente a medida que la temperatura aumenta de 0,5 a 5 K, reemplazadas por un efecto Hall térmico en plano.

“Hemos estado investigando este efecto con mucho detalle y tenemos muchas preguntas en torno a los fenómenos gemelos”, señala Ong.

“¿Está cuantificado el efecto Hall térmico? ¿De dónde viene? ¿Y cuál es su naturaleza física?

Proporcionaremos un informe detallado sobre este estudio en un próximo artículo”, dice a Physics World.

Fuente: Physics World