¿Pueden los electrones también condensarse en cuartetos?

Recientes descubrimientos han sugerido que sí, y un físico del Real Instituto de Tecnología KTH ha publicado hoy la primera prueba experimental de este efecto de cuadruplicación y el mecanismo por el que se produce este estado de la materia.

El profesor Egor Babaev y sus colaboradores han presentado hoy en Nature Physics pruebas de la cuadruplicación de fermiones en una serie de mediciones experimentales sobre el material basado en el hierro, Ba1-xKxFe2As2. Los resultados se producen casi 20 años después de que Babaev predijera por primera vez este tipo de fenómeno, y ocho años después de que publicara un artículo en el que predecía que podría producirse en el material.

Un fenómeno descrito por primera vez en una teoría de Leon Cooper, John Bardeen y John Schrieffer, cuyo trabajo fue galardonado con el Premio Nobel en 1972, dice que el emparejamiento de electrones permite el estado cuántico de superconductividad, un estado de conductividad de resistencia cero que se utiliza en los escáneres de resonancia magnética y en la informática cuántica. Se produce en un material como resultado de la unión de dos electrones en lugar de su repulsión, como ocurriría en el vacío.

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

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

La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer no permitía este comportamiento, así que cuando el colaborador experimental de Babaev en la Technische Universtät Dresden, Vadim Grinenko, encontró en 2018 los primeros indicios de un condensado de cuádruple fermión, desafió años de acuerdo científico predominante.

Babaev dice que la clave entre las observaciones realizadas es que los condensados cuádruples fermiónicos rompen espontáneamente la simetría tiempo-reversión. En física, la simetría de inversión del tiempo es una operación matemática que consiste en sustituir la expresión del tiempo por su negativo en las fórmulas o ecuaciones, de modo que describan un acontecimiento en el que el tiempo transcurre hacia atrás o todos los movimientos se invierten.

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

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

«Probablemente se necesitarán muchos años de investigación para entender completamente este estado», dice. «Los experimentos abren una serie de nuevas preguntas, revelando una serie de otras propiedades inusuales asociadas a su reacción a los gradientes térmicos, los campos magnéticos y los ultrasonidos, que aún deben ser mejor comprendidas».

Fuente: lavidaes.org