Este artículo se publica en colaboración con ETH Zurich.
Al estudiar las peculiares propiedades de un material metálico conocido desde hace mucho tiempo, los investigadores se han topado por casualidad con una nueva partícula. Está relacionada con los llamados fermiones de Weyl que el matemático Hermann Weyl predijo hace casi noventa años. Weyl había pasado por alto la partícula, que podría tener aplicaciones interesantes en electrónica.
La estructura del espectro de energía de los fermiones de Weyl de tipo 2 (derecha) no es simétrica, a diferencia de los fermiones de Weyl convencionales (izquierda). Esto da lugar a propiedades electromagnéticas dependientes de la dirección de los fermiones de Weyl de tipo 2. (Imagen: Soluyanov et al. Nature 2015)
Cuando el profesor de ETH Hermann Weyl llegó para su cargo de un año como profesor invitado en Princeton en otoño de 1928, el físico cuántico Paul Dirac acababa de publicar su célebre fórmula para el electrón. Esa fórmula describía las propiedades de los llamados fermiones, o partículas cuánticas de espín semientero, y sus predicciones —entre ellas la existencia de la antimateria— dieron paso a la era de la física moderna de partículas. Weyl se dio cuenta de que, en principio, la ecuación de Dirac también permitía soluciones para partículas sin masa. En 1929 publicó un artículo en el que describió esas partículas sin masa de espín semientero. Más tarde se las llamaría «fermiones de Weyl».
Físicos de ETH, junto con investigadores de la Universidad de Princeton y de la Academia China de Ciencias, han descubierto ahora una partícula hasta entonces desconocida que su ilustre predecesor había pasado por alto en sus cálculos y que permaneció sin detectarse durante casi noventa años después. La bautizaron como «fermión de Weyl de tipo 2».
Búsqueda de nuevas propiedades de los materiales
Los investigadores dieron con el nuevo tipo de partícula al tratar de entender las extrañas propiedades físicas del ditelururo de tungsteno (WTe2). «Esperábamos encontrar sobre todo propiedades llamadas “topológicas” que hacen que ciertos estados cuánticos sean más resistentes a las perturbaciones en este material metálico», explica Alexey Soluyanov, investigador del grupo de Física Computacional de ETH Zurich.
Para simular las propiedades físicas de los cristales metálicos, los investigadores realizaron cálculos durante 200.000 horas en superordenadores del Centro Suizo de Supercomputación CSCS y de la Academia China de Ciencias. Se necesitaron semanas de derivaciones y cálculos detallados antes de que los investigadores llegaran a la conclusión de que debían de haber descubierto algo totalmente nuevo: dentro del cristal de ditelururo de tungsteno tenía que existir un tipo de fermión hasta entonces desconocido, el fermión de Weyl de tipo 2.
Primero en teoría, después detectados experimentalmente
Inicialmente, el fermión de Weyl «ordinario» también existía solo en teoría. Durante mucho tiempo se supuso que los neutrinos podrían ser fermiones de Weyl, pero luego los investigadores descubrieron que tienen una masa, aunque muy pequeña (el Premio Nobel de Física de este año se concedió por su descubrimiento). Aun así, los físicos siguieron creyendo que los fermiones de Weyl podían aparecer como cuasipartículas (es decir, como estados colectivos de muchos electrones que interactúan con los núcleos atómicos de un cristal) en los llamados semimetales.
Por fin, en julio de este año, los fermiones sin masa se detectaron experimentalmente en Princeton, donde Hermann Weyl los había predicho teóricamente en su día, y al mismo tiempo en Pekín. En un cristal de arseniuro de tantalio, los investigadores hallaron cuasipartículas que tenían exactamente las propiedades esperadas para los fermiones de Weyl. Su falta de masa significa, entre otras cosas, que pueden moverse con extrema rapidez y sin verse perturbadas por obstáculos en el cristal. Los científicos ya especulan con que esto podría abrir posibilidades totalmente nuevas para los dispositivos electrónicos.
La partícula que no debería existir
Los fermiones de Weyl de tipo 2 hallados ahora desde el punto de vista teórico se diferencian de los fermiones de Weyl convencionales en un aspecto crucial: en realidad no deberían existir en absoluto. Al menos no si, como hizo Hermann Weyl, se asume que los fermiones deben cumplir las reglas de la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein y, por tanto, que deben conservar la llamada simetría de Lorentz. «En la naturaleza», las partículas, en efecto, deben ajustarse a esas reglas. Sin embargo, en el universo artificial de un cristal, la simetría de Lorentz puede romperse, lo que hace que los posibles estados energéticos de los electrones difieran notablemente de los que dan lugar a la formación de los fermiones de Weyl ordinarios.
Estos peculiares estados energéticos, a su vez, podrían dotar a los materiales que contienen fermiones de Weyl de tipo 2 de propiedades extrañas y posiblemente útiles, por ejemplo, la capacidad de conducir la corriente eléctrica solo en determinadas direcciones bajo la influencia de un campo magnético. Queda por ver si esas propiedades resultan viables en la práctica. «Por ahora, el nuevo fermión de Weyl es una rareza física», concede Soluyanov, «pero una muy emocionante, y sin duda hay potencial para aplicaciones». En cualquier caso, los científicos han completado ahora, tras décadas, por fin la investigación de Hermann Weyl.
Referencia
Soluyanov AA, Gresch D, Wang Z, Wu QS, Troyer M, Dai X, Bernevig BA: Type II Weyl Semimetals. Nature, 25 de noviembre de 2015, doi: 10.1038/nature15768
La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
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Autor: Oliver Morsch es redactor de ETH Zurich.
Imagen: Un especialista técnico mira una diapositiva. EALTH-SEQUENCING/REUTERS/Jim Young.
