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15 de Octubre de 2019
Estado sólido

Una excitación electrónica colectiva con las características de un axión

Los axiones son unas partículas elementales hipotéticas cuya existencia se predijo hace más de 40 años. Ahora se han descubierto unos fenómenos colectivos en un sólido que presentan características como las de los axiones.

En 2014, unos investigadores dijeron haber encontrado indicios de la existencia de la partícula hipotética denominada axión en los datos del observatorio espacial XMM-Newton. Su aseveración no está confirmada. Ahora se publica un resultado experimental que guarda relación con los axiones, pero no consiste en una detección de estos [Poppy].

El axión es una de las grandes esperanzas de la física de partículas. Esta hipotética partícula elemental, de masa pequeñísima, podría ser la constituyente de la desconcertante materia oscura. Desde hace años, quienes intentan detectar las partículas que forman esta tienen a los axiones en su punto de mira, entre otras cosas porque las candidatas principales, las llamadas WIMP, que tendrían una masa mucho mayor, no han comparecido hasta este momento en ningún experimento.

Ahora se ha descubierto en un cristal una excitación electrónica colectiva con las propiedades de un axión, como explican Johannes Gooth, del Instituto Max Planck de Física Química, y sus colaboradores en Nature. Las excitaciones colectivas y las cuasipartículas no son partículas elementales, sino estados conjuntos, de muchas partículas, que se producen en un cuerpo sólido y que, matemáticamente, resultan ser análogos a partículas de otro tipo que actuasen en el espacio vacío. Un ejemplo bien conocido son los fonones, con los que se describen los movimientos ondulatorios de miríadas de átomos de un cuerpo sólido.

Tras esas excitaciones colectivas axiónicas que se han descubierto hay un fenómeno complejo que tiene lugar en un tipo de material conocido como semimetal de Weyl, en el que unas cuasipartículas, llamadas fermiones de Weyl, se comportan como si careciesen de masa y se movieran solo en la dirección de su espín.

Gooth y sus colaboradores enfriaron un semimetal de Weyl, el (TaSe4)2I, hasta los 11 grados bajo cero y generaron en él una «onda de densidad de carga», que da lugar a su vez a un estado peculiar de la materia que recuerda a los famosos aislantes topológicos, que les valieron a sus descubridores el Premio Nobel de Física de 2016 y por cuyos bordes pueden fluir los electrones sin resistencia.

En sus experimentos mostraron que esa onda de densidad de carga, cuando se sometía a campos eléctricos y magnéticos, se comportaba como lo harían los axiones en el espacio libre. Este resultado confirma una predicción de 2010.

Los cazadores de las partículas de la materia oscura, desgraciadamente, no lo tienen así más fácil: los físicos han descubierto a menudo en la materia sólida cuasipartículas cuyas partículas elementales análogas se buscan con ahínco pero sin éxito. Es lo que ha ocurrido, por ejemplo, con los fermiones de Majorana, otra de las grandes esperanzas de la física de partículas.  

Robert Gast

Referencia: «Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe4)2I», de J. Gooth et al., prepublicación acelerada en Nature (7 de octubre de 2019).

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