Por primera vez los científicos han logrado detectar una cuasipartícula que tiene una característica poco común: posee masa únicamente cuando se mueve en una dirección. Esta fue teorizada hace 16 años, pero su existencia se confirmó recientemente en un cristal semimetálico llamado ZrSiS.
La cuasipartícula (un grupo de partículas que se comportan como una sola), llamada semifermión de Dirac, surgió como una hipótesis sobre el comportamiento colectivo de ciertas partículas en condiciones específicas. Estas cuasipartículas son combinaciones de partículas que, juntas, se comportan como si fueran una sola entidad.
En el mundo subatómico, la mayoría de las partículas tienen masa, como los electrones, protones o quarks, mientras que otras pueden no tener masa en lo absoluto. Sin embargo, encontrar algo que pueda alternar entre ambos estados –con o sin masa, dependiendo de la dirección en que se mueva– parecía, hasta hace poco, una idea teórica. En este caso, los semifermiones de Dirac presentan propiedades que no se observan en partículas individuales.
El descubrimiento ocurrió por accidente mientras un equipo liderado por el Dr. Yinming Shao, de la Universidad Estatal de Pensilvania, analizaba la respuesta del ZrSiS bajo un potente campo magnético y luz infrarroja en condiciones extremas: temperaturas de -269 °C y un campo magnético. 900.000 veces más fuerte que el de la Tierra. En estas condiciones, detectaron propiedades inesperadas que correspondían al comportamiento teórico de los semifermiones de Dirac.
«Esto fue totalmente inesperado», afirmó Shao. «Ni siquiera estábamos buscando un fermión semi-Dirac, pero los datos revelaron estas cuasipartículas con propiedades que no entendíamos al principio».
El ZrSiS, un tipo de semimetal, fue enfriado casi hasta el cero absoluto y expuesto al campo magnético sostenido más poderoso del mundo. Esto permitió observar el comportamiento de los electrones dentro del cristal con un nivel de detalle extraordinario. Las mediciones mostraron un patrón inusual en la respuesta de las partículas al campo magnético, lo que confirmaba la presencia de semifermiones de Dirac.
Las partículas tradicionales con masa aumentan sus niveles de energía de manera proporcional a la intensidad del campo magnético, mientras que las partículas sin masa lo hacen siguiendo una relación basada en la raíz cuadrada de la intensidad del campo. Sin embargo, los semifermiones de Dirac mostraron un comportamiento intermedio, donde los niveles de energía aumentaron proporcionalmente al campo elevado a la potencia de dos tercios.
«Imaginamos que la partícula es como un tren que se mueve sobre una roja de pistas dentro del material. En una dirección, se mueve sin resistencia, como si no tuviera masa, pero al cambiar a una pista perpendicular, experimenta resistencia y adquiere masa. Este comportamiento depende completamente de la dirección en la que se desplace» Explicó Shao.
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El ZrSiS tiene una estructura en capas similar al grafito, lo que sugeriría que podría manipularse de manera similar al grafeno. Shao comentó que, si se logra fabricar láminas de ZrSiS de un solo átomo de grosor, sería posible aprovechar las propiedades de los semifermiones de Dirac de manera precisa y controlada.
Aunque el descubrimiento tiene algunas aplicaciones en algunas tecnologías desde baterías hasta censores, aún se necesita más información sobre su naturaleza. El equipo está trabajando en comprender completamente los datos obtenidos, ya que algunos aspectos del comportamiento observado no encajan del todo con las teorías actuales. Por ahora, los investigadores continuarán explorando las propiedades de estas cuasipartículas y su potencial en el desarrollo de nuevas tecnologías.