¿Una nueva revolución en ciencia de materiales?

31/07/2015 0 comentarios
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El descubrimiento del grafeno hace poco más de una década supuso una revolución en ciencia de materiales, por sus inusuales propiedades. El anuncio hecho este año por grupos independientes de investigadores del descubrimiento de los llamados semimetales de Weyl parece anticipar otra revolución similar. La larga búsqueda de este tipo de materiales se origina en las predicciones que físicos teóricos hicieron del comportamiento de los fermiones de Weyl, y de las peculiares propiedades cuánticas que tendrían estos materiales.

Las grandes ideas y conceptos en la física suelen propagarse en diferentes subdisciplinas de este área y otras del saber. Así pues, la física de altas energías o de partículas ha tomado con asiduidad prestados conceptos de la física de la materia condensada, aunque los sistemas y escenarios que describen éstas son muy diferentes. Ya en el pasado describí en este blog cómo el mecanismo de Higgs, el que explica cómo todas las partículas fundamentales obtiene su masa, nace al generalizar unas ideas originalmente desarrolladas para explicar el fenómeno de la superconductividad a bajas temperaturas. En este post hablaré de cómo unas ideas y conceptos abstractos desarrollados originalmente en física de altas energías se han tomado 'prestados' en física de estado sólido, y parece que van a representar una revolución en ciencia de materiales, similar a la que ha protagonizado el descubrimiento del grafeno en esta última década.

Las partículas cuánticas se clasifican en dos tipos: bosones o fermiones, según si el valor intrínseco del llamado espín (o momento angular interno) está cuantizado como un valor entero o semientero de la constante de Planck. El espín da cuenta de la rotación de la partícula cuántica sobre un eje interno, como si ésta fuera una peonza. Aquí sólo nos fijaremos en los fermiones de espín más bajo, el espín ½.

Existen varios tipos de fermiones de espín ½. En 1928 el físico teórico Dirac presentó su famosa ecuación relativista para describir la propagación de un fermión con masa, aunque él tenía en mente el electrón. Su ecuación predijo la existencia de la antipartícula del electrón, el positrón, que fue detectada en 1932. A los fermiones que tienen características similares a las del electrón se les llama fermiones de Dirac. En el año 1929 el matemático Weyl se dio cuenta de que la ecuación de Dirac admitían soluciones específicas en el caso de que los fermiones no tuvieran masa, con propiedades particulares, los ahora llamados fermiones de Weyl. Puesto que durante muchos años se creyó que los neutrinos no tenían masa, se supuso que los neutrinos serían de este tipo, idea descartada tras el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que revelan que son masivos. También hay soluciones de la ecuación de Dirac en las que el fermión es su propia antipartícula, son los llamados fermiones de Majorana. En la actualidad existen varios experimentos de neutrinos destinados a descubrir si éstos son fermiones de Majorana, como por ejemplo, el experimento NEXT, en el laboratorio subterráneo de Canfranc en el Pirineo aragonés.

No existe ninguna partícula de las llamadas elementales que pueda ser considerada un fermión de Weyl. Sin embargo tres grupos independientes de investigación liderados por los físicos Zahid Hasan (Universidad de Princenton), por Hongming Weng (Academia de Ciencias China), y por Marin Soljacic (MIT), respectivamente, han presentado pruebas experimentales de que los fermiones de Weyl pueden existir como cuasipartículas (excitaciones colectivas de los electrones) en ciertos materiales. En los dos primero grupos se trata de los llamados semimetales de Weyl. Este descubrimiento puede representar una revolución en ciencia de materiales por las propiedades especiales de estos materiales. Puesto que los fermiones de Weyl no tienen masa se propagan más rápido que los electrones de un metal. Esa situación ya ocurre en el grafeno, aunque éste es un material bidimensional, mientras que los semimetales de Weyl son tridimensionales. También estos materiales tienen propiedades cuánticas de transporte muy específicas, que los hacen especialmente interesantes. En el resto de este artículo intentaré explicar la más relevante de ellas, que tienen que ver con la llamada quiralidad del fermión.

Una de las propiedades básicas de los fermiones de Weyl es que éstos tiene una quiralidad bien definida. Para los fermiones de Weyl la quiralidad del fermión coincide con su llamada helicidad, y es posible dar una visión muy intuitiva de su significado, que aquí intentaré explicar. El espín de un fermión define un eje y una orientación dependiendo de la dirección de giro interna del fermión. Se dice que el fermión es dextrógiro (RH) si la orientación de su espín es paralela a la de la velocidad de la partícula, y levógiro (LH) en caso contrario (véase la Figura).

 

 

Figura 2. Helicidad del fermión de Weyl.

Las interacciones electromagnéticas respetan la quiralidad de las partículas fundamentales. Siendo así, uno podría esperar que en un volumen cerrado el número de fermiones de Weyl de una quiralidad concreta, que sólo interactúan entre ellos electromagnéticamente, permaneciera constante. Esa sería la respuesta de la física clásica. Sin embargo en física cuántica eso no es así. Se habla entonces de la llamada anomalía cuántica quiral, que explica cómo en presencia de campos eléctricos y magnéticos paralelos puede haber creación espontánea de fermiones de quiralidad dextrógira (o levógira) desde el vacío cuántico.

La existencia de la anomalía cuántica quiral la descubrieron los físicos teóricos Adler, Bell y Jackiw a finales de los años sesenta, estudiando teorías cuánticas de campo relativistas (y a mi modesto entender tal descubrimiento tendría que haber sido correspondido con el más distinguido premio en física; quizás el comité del Premio Nobel aún esté a tiempo de hacerlo). Ese descubrimiento permitió explicar ciertos procesos entre partículas subatómicas, tales como el hecho de que el pión neutro se pueda desintegrar en dos fotones. Las consecuencias de la existencia de anomalías cuánticas fueron fundamentales para el desarrollo del llamado modelo estándar que explica las interacciones básicas entres las partículas fundamentales. La anomalía cuántica quiral se ha usado también en cosmología para intentar describir el exceso de materia sobre antimateria en el universo observable, por ejemplo. Pero una contribución relevante para el tema que aquí nos ocupa la hicieron en los años ochenta los físicos teóricos Nielsen y Ninomiya. Estos físicos se dieron cuentan de que el fenómeno físico que explica la anomalía cuántica quiral puede también acontecer en materiales concretos, en los que, sin ser relativistas, sus fermiones se comportan en ciertas circunstancias como partículas sin masa. Los semimetales de Weyl serían un claro ejemplo donde la anomalía cuántica quiral puede explicar la creación de fermiones de una cierta quiralidad desde su estado fundamental, apareciendo como un efecto colectivo. La consecuencia más directa de la anomalía cuántica quiral sería, según ya se dieron cuenta estos autores, que la conductividad eléctrica del material aumentaría fuertemente en presencia de un campo magnético.

Otra propiedad de transporte inusual puede ocurrir en estos materiales en presencia de un campo magnético. La carga eléctrica y el espín del fermión permiten definir su momento magnético, propiedad que lo hace comportarse como una pequeña brújula microscópica que siempre se orienta en la dirección del campo magnético. En un material donde hubiera una mayor densidad de fermiones de carga positiva de quiralidad dextrógira (RH) que levógira (LH), se crearía una corriente electromagnética en la dirección y sentido del campo magnético, pues la quiralidad definida obligaría a los fermiones RH a moverse en la dirección de su espín, paralelo al campo magnético, mientras que los fermiones LH, en menor número, se moverían en dirección contraria, pero no podrían contrarrestar el efecto de los fermiones RH. Este es el llamado efecto quiral magnético, descubierto por el físico nuclear Kharzeev en el contexto de los experimentos de colisiones de iones pesados diseñados para estudiar el llamado plasma de quarks y gluones. En otra entrada hablaré sobre este tema.

Es pronto para saber lo que darán de sí los semimetales de Weyl, y qué aplicaciones electrónicas concretas tendrán. Sus descubridores hablan de su gran potencial. Desde el punto de vista de la ciencia básica el descubrimiento de estos materiales es excitante, pues nos permitirán medir de forma muy concreta las predicciones peculiares que la física cuántica hace para los fermiones de Weyl, siendo una comprobación de muchas ideas que en el pasado se formularon para resolver problemas en el ámbito cosmológico o astrofísico. Las grandes ideas no tienen fronteras.