Un equipo de investigadores ha hallado una nueva forma de materia: el excitonio. Este material está compuesto por un tipo de bosón, una partícula compuesta que podría permitir que la materia actúe como un superfluido, un superconductor o incluso como un cristal electrónico aislante. Más detalles del estudio se publicaron en la revista Science.

El profesor de física Peter Abbamonte y su equipo trabajaron junto con colegas en Illinois, la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Ámsterdam. El objetivo era demostrar finalmente la existencia de este extraño y misterioso tipo de materia que fue teorizada desde hace más de 50 años.

El equipo estudió cristales no dopados del comúnmente analizado seleniuro de dicalcogenuro de titanio (1T-TiSe2) y pudieron reproducir los impresionantes resultados cinco veces en diferentes cristales. El profesor de física de la Universidad de Ámsterdam, Jasper van Wezel, proporcionó una interpretación teórica de estos resultados experimentales.

¿Qué es el Excitonio?

Comenzando por lo sencillo, el excitonio es un condensado que exhibe fenómenos cuánticos macroscópicos, y puede actuar como un superconductor, un superfluido o como un cristal electrónico aislante. Esta nueva forma de materia está formada por excitones, partículas que se forman en un emparejamiento mecánico-cuántico muy extraño, específicamente el de un electrón que escapó y el agujero que dejó al irse.

Sí, esto desafía un poco a la razón pero es así como sucede. Un electrón está bien tranquilo sentado al borde de una banda de valencia llena de electrones en un semiconductor. Este se excita y salta sobre la banda prohibida a la banda de conducción. Este suceso provoca un hoyo, un espacio vacío, en la banda de valencia. Este hoyo que dejó el electrón, se comporta como si fuera una partícula con carga positiva y atrae al electrón que escapó. Cuando esto sucede, la carga negativa del electrón y la carga positiva del hoyo se emparejan. Ambos forman una partícula compuesta, un bosón, un excitón.

Detrás del descubrimiento

El descubrimiento es reciente por una razón: la tecnología. Los científicos no han tenido las herramientas experimentales necesarias para distinguir correctamente si lo que observaban era excitonio, una distorsión de Peierls u otro fenómeno similar.

Sin embargo, Abbamonte y su equipo pudieron hacerlo usando una técnica llamada espectroscopía de pérdida de energía de electrones con resolución de impulso (M-EELS). Esta técnica es más sensible a las excitaciones de banda de valencia que otras ya conocidas, como la de dispersión de neutrones o la de rayos X inelásticos.

El estudiante de posgrado Anshul Kogar, quien también formó parte del equipo, se encargó de reacondicionar un espectrómetro EEL con un goniómetro. El primero solo podía medir la trayectoria de un electrón al dar la energía y momento que este pierde, y el segundo permitía conocer precisamente su momento en el espacio real.

Gracias a esto, el equipo logró la primera observación en la historia del precursor de la condensación del excitón, una fase de plasmón suave que surgió cuando el material se acercó a la temperatura de 190 Kelvin. Este plasmón es una prueba contundente de la existencia del excitonio en un sólido tridimensional. Y además, es la primera evidencia definitiva del descubrimiento del excitonio.

“Desde la década de 1970, muchos experimentadores han publicado evidencia de la existencia de excitonio, pero sus hallazgos no fueron una prueba definitiva”, afirma Abbamonte, líder del equipo. Por el momento, las posibles aplicaciones tecnológicas del excitonio son puramente especulativas. De todas maneras, esta investigación es fundamental para seguir comprendiendo mejor los fenómenos cuánticos macroscópicos.

La física experimental está obteniendo logros importantísimos. E Nobel de Física de este año fue para los descubridores de las ondas gravitacionales. Incluso, con grandes detectores se pudo hallar neutrinos altamente energéticos.

Fuente: Agencia N+1