Cuartetos de electrones apuntan a nuevo estado de la materia

Un nuevo estudio ha encontrado la primera evidencia experimental de un efecto cuadruplicado en la condensación de electrones y el mecanismo por el que ocurre este estado de la materia.

El principio central de la superconductividad es que los electrones forman pares. Pero, ¿pueden también condensarse en cuartetos?

En un informe publicado en Nature Physics, el profesor Egor Babaev del Royal Institute of Technology de KTH (Universidad de Estocolmo) y sus colaboradores presentaron evidencia de que el fermión –junto al bosón, uno de los dos tipos básicos de partículas elementales que existen en la naturaleza– se cuadruplica en una serie de mediciones experimentales en el material a base de hierro, Ba1-xKxFe2As2.

Los resultados siguen casi 20 años después de que Babaev predijera por primera vez este tipo de fenómeno, y ocho años después de que publicara un artículo que predice qué podría ocurrir en el material.

El emparejamiento de electrones permite el estado cuántico de superconductividad, un estado de conductividad de resistencia cero que se utiliza en escáneres de resonancia magnética y computación cuántica. Ocurre dentro de un material como resultado de la unión de dos electrones en lugar de repelerse entre sí, como lo harían en el vacío. El fenómeno fue descrito por primera vez en una teoría por Leon Cooper, John Bardeen y John Schrieffer, cuyo trabajo fue galardonado con el Premio Nobel en 1972.

Los llamados pares de Cooper son básicamente «opuestos que se atraen». Normalmente, dos electrones, que son partículas subatómicas cargadas negativamente, se repelerían fuertemente entre sí. Pero a bajas temperaturas en un cristal se unen libremente en pares, dando lugar a un orden robusto de largo alcance. Las corrientes de pares de electrones ya no se dispersan por defectos y obstáculos y un conductor puede perder toda la resistencia eléctrica, convirtiéndose en un nuevo estado de la materia: un superconductor.

Solo en los últimos años se ha aceptado ampliamente la idea teórica de los condensados de cuatro fermiones.

Para que se produzca un estado de cuadruplicación de fermiones, tiene que haber algo que evite la condensación de los pares y evite su flujo sin resistencia, al tiempo que permite la condensación de compuestos de cuatro electrones, dice Babaev.

La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer no permitía tal comportamiento, por lo que cuando el colaborador experimental de Babaev en Technische Universtät Dresden, Vadim Grinenko, encontró en 2018 los primeros signos de un fermión que cuadruplicaba el condensado, desafió años de acuerdo científico prevalente.

Lo que siguió fueron tres años de experimentación e investigación en laboratorios de múltiples instituciones para validar el hallazgo.

Babaev dice que la clave entre las observaciones realizadas es que los condensados cuádruples fermiónicos rompen espontáneamente la simetría de inversión del tiempo. En física, la simetría de inversión del tiempo es una operación matemática de reemplazar la expresión del tiempo con su negativo en fórmulas o ecuaciones para que describan un evento en el que el tiempo corre hacia atrás o todos los movimientos se invierten.

Si uno invierte la dirección del tiempo, las leyes fundamentales de la física aún se mantienen. Eso también es válido para los superconductores típicos: si la flecha del tiempo se invierte, un superconductor típico seguiría estando en el mismo estado superconductor.

«Sin embargo, en el caso de un condensado de cuatro fermiones que informamos, la inversión de tiempo lo pone en un estado diferente», dice.

«Probablemente se necesitarán muchos años de investigación para comprender completamente este estado», dice. «Los experimentos abren una serie de nuevas preguntas, revelando una serie de otras propiedades inusuales asociadas con su reacción a gradientes térmicos, campos magnéticos y ultrasonido que todavía tiene que entenderse mejor».

Fuente: europapress.es