Descubre cómo los electrones desafían las expectativas al comportarse como fracciones de sí mismos en este innovador estudio del MIT

Podemos imaginar un mundo donde las partículas fundamentales, como los electrones, rompen nuestras expectativas al comportarse como fracciones de sí mismos. Este hallazgo es rompedor porque, por el momento, el electrón es considerado una partícula fundamental sin posibilidad de dividir su carga. Aunque suena sacado de la ciencia ficción, esto es exactamente lo que un grupo de físicos del MIT ha demostrado posible en un material tan delgado como la hoja más fina de papel. Este avance abre nuevas puertas en la física cuántica y podría transformar campos como la computación cuántica o la electrónica.

Todo comenzó con un experimento liderado por el profesor Long Ju, quien en 2023 se encontró con un fenómeno inesperado: al pasar una corriente eléctrica a través de una estructura de cinco capas de grafeno (conocida como grafeno pentacapa), los electrones parecían comportarse como si estuvieran divididos en fracciones de su carga. Este fenómeno, llamado efecto Hall cuántico anómalo fraccionario, intrigó a la comunidad científica porque ocurrió en ausencia de campos magnéticos, un requisito previo que se creía indispensable. Ahora, un equipo liderado por T. Senthil ha dado con la explicación teórica de este fenómeno, abriendo camino a nuevas preguntas y descubrimientos​​.

¿Qué es el grafeno y por qué es tan especial?

El grafeno es un material bidimensional compuesto por átomos de carbono dispuestos en una rejilla hexagonal. Conocido como «el material del futuro», es ultraligero, increíblemente fuerte y posee propiedades eléctricas únicas. Su grosor de un solo átomo lo convierte en una plataforma ideal para estudiar efectos cuánticos avanzados.

Sin embargo, cuando varias capas de grafeno se apilan con precisión sobre un sustrato de nitruro de boro, como en este experimento, ocurre algo aún más fascinante. En esta configuración, conocida como estructura moiré, los átomos forman patrones interferentes que alteran drásticamente la manera en que los electrones se mueven y se comportan. Estas bandas de energía planas ralentizan los electrones y aumentan sus interacciones, lo que produce un entorno único para fenómenos cuánticos emergentes​​. Entre ellos fenómenos exóticos como la división de las cargas electrónicas​​.

¿Qué son las cargas fraccionarias?

Por lo general, un electrón tiene una carga negativa fija de −e. Pero en ciertos sistemas cuánticos, como en el grafeno pentacapa, los electrones pueden comportarse como si su carga estuviera dividida en fracciones, como −e/3 o −e/5. Este fenómeno ocurre porque los electrones, en lugar de actuar como partículas independientes, forman estados cuánticos colectivos donde comparten sus propiedades con otros electrones cercanos.

Este es un mecanismo completamente nuevo, lo que significa que en la historia de décadas, la gente nunca ha tenido un sistema que vaya hacia este tipo de fenómenos de electrones fraccionales

Senthil Todadri

Este comportamiento no es completamente nuevo: los efectos cuánticos de Hall fraccionario ya habían sido observados en sistemas sometidos a campos magnéticos intensos. Sin embargo, el descubrimiento realizado en el grafeno pentacapa es revolucionario porque ocurre sin un campo magnético, gracias a la estructura moiré y al confinamiento electrónico. Este nuevo fenómeno, llamado efecto Hall cuántico anómalo fraccionario, es la primera demostración de que las cargas fraccionarias pueden emerger en ausencia de un campo externo​​.

Una sorpresa teórica que reescribe el modelo tradicional

En 2018, el equipo de T. Senthil había predicho que al añadir más capas de grafeno en una estructura moiré, la torsión de las funciones de onda de los electrones aumentaría proporcionalmente, sentando las bases para las fracciones de carga. En teoría, en un grafeno pentacapa, esta torsión debería ser cinco veces mayor que en una monocapa.

Pero los experimentos liderados por Long Ju revelaron algo completamente inesperado: la torsión observada en el grafeno pentacapa era solo una vez, no cinco. Este hallazgo hizo tambalear las teorías iniciales y obligó a los científicos a replantearse el modelo completo. Al reevaluar su hipótesis, el equipo del MIT identificó un elemento clave que habían pasado por alto: las interacciones electrón-electrón. En la mayoría de los materiales, los electrones tienen suficiente espacio para moverse libremente, actuando como partículas independientes. Pero en el grafeno pentacapa, los electrones están confinados a una escala bidimensional, lo que los obliga a interactuar fuertemente entre sí. Estas interacciones generan patrones cuánticos colectivos que explican la torsión observada experimentalmente​​.

El cristal extraordinario que redefine las fracciones

El nuevo modelo teórico mostró que los electrones en el grafeno pentacapa no se comportan como partículas independientes, sino que forman un tipo de cristal cuántico. Este cristal surge gracias a la interacción entre las capas de grafeno y el nitruro de boro, que genera un potencial eléctrico débil. Este potencial organiza a los electrones en un patrón periódico, o «cristal», que no se parece a los cristales tradicionales.

En lugar de posiciones fijas, cada electrón ocupa una nube de probabilidad, influenciada por las nubes de los electrones vecinos. Estas interacciones crean un estado cuántico colectivo con una torsión precisa que finalmente permite la división en cargas fraccionarias. Este mecanismo, según Senthil, «es completamente nuevo… y hace posibles todo tipo de nuevos experimentos que antes solo se podían soñar».

Por otra parte, este cristal extraordinario plantea preguntas fascinantes para el futuro. ¿Qué otras propiedades emergentes podrían surgir en sistemas similares? ¿Podría este modelo extenderse a otros materiales bidimensionales? Estas son algunas de las direcciones en las que los científicos están avanzando.

Aplicaciones prácticas: un puente hacia la computación cuántica

El impacto de este descubrimiento no se limita al ámbito teórico. Manipular fracciones de carga en sistemas controlados podría revolucionar la computación cuántica. En particular, estos avances podrían conducir al diseño de qubits más estables y eficientes, esenciales para la próxima generación de computadoras cuánticas.

A corto plazo, este mecanismo proporciona la base teórica para comprender las observaciones de fracciones de electrones en grafeno pentacapa y para predecir otros sistemas con física similar

Senthil Todadri

Por ejemplo, las interacciones cuánticas colectivas que permiten la formación de cargas fraccionarias también podrían ser la base para crear estados cuánticos protegidos contra errores. Esto es crucial en la computación cuántica, donde la inestabilidad de los qubits es uno de los mayores desafíos tecnológicos​.

Aunque este avance no resolverá todos los problemas actuales de la computación cuántica, ofrece una base prometedora para futuras aplicaciones. Como explicó Senthil, «este mecanismo no solo nos ayuda a entender lo que hemos observado, sino que también nos da las herramientas para buscar sistemas similares en otros materiales».

¿Cuáles son los siguientes pasos?

Este descubrimiento abre una amplia gama de posibilidades para la investigación futura. Uno de los objetivos inmediatos es explorar cómo se comportan estos cristales cuánticos bajo diferentes condiciones, como cambios en el número de capas o en la intensidad del campo eléctrico.

Otro enfoque será identificar otros materiales que puedan reproducir este tipo de fenómenos. Los sistemas bidimensionales, como otros tipos de grafeno torcido o materiales relacionados, podrían ser plataformas ideales para observar nuevas fases de la materia cuántica.

Para Senthil y su equipo, este descubrimiento marca un punto de partida emocionante en la exploración de nuevos fenómenos cuánticos. Según el físico, «este cristal tiene un conjunto de propiedades inusuales que son diferentes a las de los cristales ordinarios», lo que lo convierte en una plataforma ideal para estudiar interacciones electrónicas y fases emergentes de la materia. Aunque aún quedan muchas preguntas por responder, Senthil subraya que este avance proporciona una base teórica sólida para predecir y descubrir sistemas similares en el futuro​.

Referencias

• Zhihuan Dong, Adarsh S. Patri, T. Senthil. «Theory of Quantum Anomalous Hall Phases in Pentalayer Rhombohedral Graphene Moiré Structures». Physical Review Letters, 12 de noviembre de 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.206502.
• Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50 (2018). https://doi.org/10.1038/nature26160
• Zhihuan Dong, Adarsh S. Patri, T. Senthil. «Theory of Quantum Anomalous Hall Phases in Pentalayer Rhombohedral Graphene Moiré Structures.» Physical Review Letters, vol. 133, no. 20, 2024, p. 206502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.206502

Fuente: muyinteresante.com