Una nueva cuasi-partícula –excitaciones en un sistema que consta de muchas partículas, que en muchos aspectos se comportan como una partícula– ha sido descubierta en el Instituto Tecnologíco de Viena.

Reproducida en simulaciones por computadora y denominada pi-ton, se compone de dos electrones y dos agujeros. La nueva partícula se presenta en la revista Physical Review Letters, que también describe cómo se puede detectar experimentalmente.

«La cuasi-partícula más simple es un agujero», explica el profesor Karsten Held, del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. «Imaginemos, por ejemplo, que muchos átomos están dispuestos en un patrón regular en un cristal y que hay un electrón en movimiento en cada átomo. Solo falta un electrón en un átomo en particular; esto se llama un agujero», explica en un comunicado. Ahora un electrón puede moverse hacia arriba desde el átomo vecino. El hoyo original está cerrado, se abre un nuevo hoyo.

En lugar de describir el movimiento de los electrones en constante movimiento, es más fácil estudiar el movimiento del agujero. Si los electrones se mueven hacia la derecha, el agujero se mueve hacia la izquierda, y este movimiento sigue ciertas reglas físicas, al igual que el movimiento de una partícula ordinaria. Sin embargo, a diferencia de un electrón, que también se puede observar fuera del cristal, el agujero solo existe en conjunción con las otras partículas. En este caso hablamos de una «cuasi-partícula».

«Sin embargo, la línea divisoria entre partículas y cuasi-partículas no es tan clara como se podría pensar», dice Karsten Held. «Estrictamente hablando, incluso las partículas ordinarias solo pueden entenderse en el contexto de su entorno. Incluso en el vacío, las excitaciones de agujeros de partículas ocurren constantemente, aunque sea por un tiempo muy corto. Sin ellas, la masa de un electrón, por ejemplo, sería completamente diferente. En este sentido, incluso en experimentos con electrones ordinarios, lo que vemos es realmente un electrón cuasi-partícula «.

Pero también hay cuasi-partículas más complejas: el excitón, por ejemplo, que juega un papel importante en la física de semiconductores. Es un estado unido que consiste en un electrón y un agujero, que es creado por la luz. El electrón tiene carga negativa, el agujero es la ausencia de una carga negativa y, por lo tanto, carga positiva. Ambos se atraen y pueden formar un vínculo.

«En realidad queríamos investigar tales excitones», informan las doctoras Anna Kauch y Petra Pudleiner, las primeras autoras del artículo. «Desarrollamos simulaciones por computadora para calcular los efectos físicos cuánticos en sólidos». Pero pronto Anna Kauch, Petra Pudleiner y su colega Katharina Astleithner se dieron cuenta de que habían encontrado algo totalmente diferente en sus cálculos: un tipo completamente nuevo de cuasi-partículas. Se compone de dos electrones y dos agujeros que se unen al mundo exterior a través de fotones.

El equipo le dio a este objeto previamente desconocido el nombre de pi-ton. «El nombre de pi-ton proviene del hecho de que los dos electrones y los dos agujeros se mantienen unidos por fluctuaciones de densidad de carga o fluctuaciones de giro que siempre invierten su carácter en 180 grados desde un punto reticular del cristal al siguiente, es decir por un ángulo de pi, medido en radianes «, explica Anna Kauch. «Este cambio constante de más a menos quizás se pueda imaginar como un cambio de negro a blanco en un tablero de ajedrez «, dice Petra Pudleiner. El pi-ton se crea espontáneamente absorbiendo un fotón. Cuando desaparece, se emite un fotón nuevamente.

Hasta ahora, el pi-ton ha sido descubierto y verificado por simulaciones por computadora. Para el equipo de investigación, no hay dudas sobre la existencia de la pi-ton: «Ahora hemos investigado el fenómeno de la pi-ton utilizando varios modelos: aparece una y otra vez. Por lo tanto, definitivamente debería ser detectable en un variedad de diferentes materiales», afirma Karsten Held. «Algunos datos experimentales obtenidos con el titanato de samario ya parecen apuntar a la pi-ton. Experimentos adicionales con fotones y neutrones pronto deberían proporcionar claridad».

A pesar de que estamos constantemente rodeados de innumerables cuasi-partículas, el descubrimiento de una nueva especie es algo muy especial. Además del excitón, ahora también está el pi-ton. En cualquier caso, esto contribuye a una mejor comprensión del acoplamiento entre la luz y los sólidos, un tema que juega un papel importante no solo en la investigación básica sino también en muchas aplicaciones técnicas, desde la tecnología de semiconductores hasta la energía fotovoltaica.

Fuente: europapress.es