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  • 24/07/2017

Materiales

Observan en un material cuántico las huellas de un exótico efecto gravitatorio

El fenómeno registrado, de carácter térmico, se encuentra relacionado con la influencia de la curvatura del espaciotiempo sobre cierto tipo de partículas conocidas como fermiones de Weyl.

Nature

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Esquema de la estructura de un cristal de fosfuro de niobio, un semimetal de Weyl cuyas excitaciones electrónicas corresponden a fermiones dextrógiros y levógiros. [Johannes Gooth et al., Nature 547, julio de 2017.]

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Una colaboración internacional asegura haber observado en un material de laboratorio la impronta de un exótico efecto de física de partículas que, según consideraciones teóricas, debería darse en presencia de campos gravitatorios intensos.

El grupo, dirigido por Johannes Gooth, de la división de investigación de IBM en Zúrich, refiere haber observado indicios de la llamada «anomalía axial gravitacional», un fenómeno predicho por los físicos de partículas hace largo tiempo. Según este, la presencia de campos gravitatorios intensos —que la relatividad general de Einstein describe como el resultado de la curvatura del espaciotiempo— debería arruinar una simetría existente entre cierto tipo de partículas que, en condiciones normales, aparecerían en parejas formadas por una componente «dextrógira» y otra «levógira». La anomalía en cuestión causaría que se creasen más partículas de un tipo que de otro.

Las condiciones físicas necesarias para observar directamente esa pérdida de simetría son imposibles de alcanzar en un laboratorio. Sin embargo, los investigadores han explotado una sutil relación entre dicho fenómeno y otro de carácter térmico para, a partir del segundo, obtener indicios experimentales del primero en un cristal de fosfuro de niobio. «Esta anomalía resulta tan difícil de medir que incluso una prueba indirecta constituye un gran avance», indica Adolfo Grushin, investigador de la Universidad de California en Berkeley y uno de los autores del trabajo.

El efecto mencionado es como si, en un cajón lleno de pares de guantes, de repente apareciese un exceso de guantes de la mano derecha porque algunos de los de la mano izquierda han cambiado de identidad. El resultado, publicado en Nature, apoya una línea de investigación que, desde hace un tiempo, intenta emplear ciertos materiales cuánticos para analizar algunos fenómenos de física de partículas que, como tales, solo podrían observarse en condiciones muy exóticas.

Cuasiparticulas y materiales cuánticos

Las partículas afectadas por la anomalía se conocen como fermiones de Weyl, un tipo de partícula propuesto a finales de los años veinte del siglo pasado por el matemático alemán Hermann Weyl. A diferencia de los fermiones habituales, como el electrón, los fermiones de Weyl carecen de masa y tienen siempre una «quiralidad» bien definida (su espín apunta, o bien en el sentido de su momento, o bien en el sentido opuesto, de ahí los apelativos dextrógiro y levógiro).

Aunque ninguna de las partículas elementales conocidas son fermiones de Weyl, tales estados sí aparecen como cuasipartículas en algunos cristales, donde los efectos cuánticos provocan que las excitaciones colectivas de los electrones se comporten como fermiones de Weyl. En condiciones normales, los fermiones de Weyl dextrógiros y levógiros se generan en igual número. Sin embargo, en 2015 se observó experimentalmente que los campos eléctricos y magnéticos podían romper esa simetría: un resultado que confirmaba un efecto predicho hace tiempo en física de partículas y conocido como «anomalía axial», o «quiral».

Ahora, el equipo de Gooth ha obtenido indicios que confirmarían que también los campos gravitatorios pueden contribuir a dicha anomalía. A todos los efectos prácticos, el efecto de la gravedad sobre los electrones de un cristal es nulo. Sin embargo, los investigadores se han basado en una sutil conexión entre la anomalía axial gravitacional y cierto fenómeno térmico: aun en ausencia de campo gravitatorio, la existencia de la anomalía axial gravitacional implicaría cambios en el transporte térmico de las cuasipartículas. En concreto, los efectos de la anomalía tendrían que poder verse si una región del material se encuentra a mayor temperatura que otra.

La razón «está enraizada en la famosa ecuación de Einstein E = mc2», explica Gooth. «En teoría cuántica de campos relativista, los flujos de energía y de masa se convierten en lo mismo», señala el investigador. «Los flujos de masa están gobernados por gradientes del campo gravitatorio, mientras que los de energía dependen de los gradientes de temperatura. De esta manera, un gradiente de temperatura sobre los fermiones relativistas de Weyl remedaría un gradiente del campo gravitatorio.»

Los investigadores midieron la conductividad del cristal de fosfuro de niobio. Al aplicar un gradiente térmico y un campo magnético, observaron una corriente inducida generada por un desequilibrio entre los dos tipos de fermiones de Weyl: el número de cuasipartículas levógiras que avanzaban en un sentido no era el mismo que el de cuasipartículas dextrógiras que avanzaban en el sentido opuesto. Además, «el comportamiento de la corriente según modificábamos el campo magnético era el mismo que el que predice la teoría de la anomalía axial gravitacional», señala Grushin.

Pruebas convincentes

No todos están de acuerdo con la interpretación del resultado. Boris Spivak, físico de la Universidad de Washington en Seattle, insiste en que la anomalía axial gravitacional simplemente no existe en los semimetales de Weyl. Según este experto, un gradiente de temperatura no puede inducir cambios en la quiralidad de las cuasipartículas. «Hay otros muchos mecanismos que pueden explicar los datos», asegura. Spivak cree que los investigadores solo han medido el impacto de un campo magnético en el bien conocido efecto termoeléctrico, consistente en la generación de una corriente eléctrica por medio de un gradiente de temperatura.

Gooth y sus colaboradores discrepan: argumentan que la existencia de una anomalía quiral inducida por la temperatura está fuertemente apoyada por la teoría. Y Subir Sachdev, investigador de Harvard experto en efectos cuánticos en física del estado sólido, opina que los investigadores han obtenido «pruebas convincentes de las consecuencias físicas de la anomalía axial gravitacional». La existencia de la anomalía no estaba en duda, añade Sachdev, pero «es bonito ver cómo aparece en materiales reales». Para el investigador, el resultado confirma que los campos cuánticos interaccionan con la gravedad de la manera indicada por las teorías de la relatividad de Einstein.

Grushin cree que entender la manera en que la anomalía se manifiesta en estos materiales debería ayudar a comprender nuevos fenómenos físicos. Y los investigadores de IBM esperan que el hallazgo pueda ser explotado en electrónica. Los dispositivos que aprovechen esta anomalía podrían mejorar la eficiencia de los materiales capaces de generar energía eléctrica a partir de gradientes de temperatura, señala Gooth.

Philip Ball/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «Experimental signatures of the mixed axial–gravitational anomaly in the Weyl semimetal NbP». Johannes Gooth et al. en Nature 547, págs. 324–327, 20 de julio de 2017.

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