Materia exótica descubierta: los físicos tropiezan con un material compuesto de bosones

Por Universidad de California - Santa Bárbara 11 de junio de 2023

Los científicos han descubierto un nuevo estado de la materia, denominado "aislante bosónico correlacionado", mediante la interacción de partículas bosónicas llamadas excitones. Esta investigación podría allanar el camino hacia nuevos conocimientos sobre la física de la materia condensada y la creación de nuevos materiales bosónicos.

Los investigadores han descubierto un nuevo estado de la materia, al que llaman "aislante bosónico correlacionado", un conjunto cristalino de partículas bosónicas, específicamente excitones.

Tome una celosía (una sección plana de una cuadrícula de celdas uniformes, como una pantalla de ventana o un panal) y coloque otra celosía similar encima. Pero en lugar de intentar alinear los bordes o las celdas de ambas celosías, gira la rejilla superior para que puedas 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 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 de un artículo en la revista Science. Según Xiong, Jin y colaboradores de la UCSB, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, esta es la primera vez que se crea un material de este tipo en un sistema de materia "real" (a diferencia de uno sintético). El material único es un cristal altamente ordenado de partículas bosónicas llamadas excitones.

"Convencionalmente, la gente ha dedicado la mayor parte de sus esfuerzos a comprender qué sucede cuando se juntan muchos fermiones", dijo Jin. "El objetivo principal de nuestro trabajo es que básicamente creamos un nuevo material a partir de bosones que interactúan".

Dos apilados con uno ligeramente desplazado crean un nuevo patrón llamado muaré. Crédito: Matt Perko

Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos generales: 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, subyacen a 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 porque son fugaces o no interactúan entre sí.

Una pista de sus distintos comportamientos está en sus diferentes características de la mecánica cuántica, 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 espines semienteros juntos convirtiéndose en un número entero, creando una partícula bosónica.

El Laboratorio Jin, de izquierda a derecha: Tian Xie, Richen Xiong, Chenhao Jin, Samuel L. Brantly. CréditoSonia Fernández

Para crear e identificar excitones en su sistema, los investigadores colocaron en capas las dos redes y las iluminaron con luces potentes 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 entorno favorable para la formación y las interacciones entre los excitones, al tiempo que permitieron a los investigadores sondear el comportamiento de estas partículas.

"Y cuando estos excitones alcanzaron una cierta densidad, ya no pudieron moverse", dijo Jin. Gracias a fuertes interacciones, el comportamiento colectivo de estas partículas a cierta densidad las forzó a entrar en un estado cristalino y creó 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", añadió Xiong. Generalmente, 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 sólido simétrico y un aislante de carga neutra.

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

"Hay fases de muchos cuerpos con fermiones que dan como resultado cosas como la superconductividad", dijo Xiong. “También hay homólogos de muchos cuerpos con bosones que también son fases exóticas. Así que lo que hemos hecho es crear una plataforma, porque realmente no teníamos una buena manera de estudiar bosones en materiales reales”. Si bien los excitones están bien estudiados, añadió, hasta este proyecto no había habido una forma de convencerlos para que interactuaran fuertemente entre sí.

Según Jin, con su método no sólo sería posible 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 sean más confiables".

Referencia: “Aislante correlacionado de excitones en superredes muaré WSe2/WS2” por Richen Xiong, Jacob H. Nie, Samuel L. Brantly, Patrick Hays, Renee Sailus, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Sefaattin Tongay y Chenhao Jin. Science.DOI : 10.1126/ciencia.add5574