Los estados de la materia que encontramos a diario son el sólido, el líquido y el gaseoso, sin embargo en condiciones más exóticas y extremas pueden surgir nuevos estados. Ahora científicos de Estados Unidos y China han descubierto uno y se oculta en el mundo cuántico.

Lo han bautizado como estado “chiral bose-liquid” (quiral bose-líquido) y, como ocurre con cada nueva disposición de partículas que descubrimos, puede aportarnos más información sobre el tejido y los mecanismos del Universo que nos rodea y, en particular, a escala cuántica superpequeña.

Los estados de la materia describen cómo las partículas pueden interactuar entre sí, dando lugar a estructuras y diversas formas de comportamiento. Encierre los átomos y tendrá un sólido. Permítales fluir y tendrá un líquido o un gas. Separe a la fuerza las asociaciones cargadas, y tendrá un plasma.

El paisaje cuántico ofrece formas aún más extrañas de interacción entre partículas, lo que permite comportamientos únicos que se describen mejor en términos de posibilidad y energía.

Nuevo estado descubierto mediante un sistema cuántico

Los investigadores descubrieron el nuevo estado a través de un sistema cuántico frustrado. En términos sencillos, se trata de un sistema con restricciones incorporadas que impiden que las partículas interactúen como lo harían normalmente (de ahí la frustración).

Estas restricciones, y la frustración resultante, pueden dar lugar a resultados muy interesantes para los científicos. En este caso, los investigadores se centraron en los electrones y utilizaron la analogía de un juego de fiesta para explicar lo que ocurre.

Crédito de imagen: depositphotos.com

Tigran Sedrakyan, de la University of Massachusetts Amherst, dijo en un comunicado:

“Es como un juego de sillas musicales diseñado para frustrar a los electrones. En lugar de que cada electrón tenga una silla a la que ir, ahora deben revolverse y tienen muchas posibilidades en cuanto a dónde sentarse”.

El sistema que montaron los investigadores era un dispositivo semiconductor con dos capas: una superior rica en electrones y otra inferior con muchos huecos disponibles a los que los electrones pueden desplazarse de forma natural. ¿El problema? No hay suficientes huecos para todos los electrones.

Aunque este tipo de sistema sigue siendo difícil de observar, el equipo utilizó un campo magnético ultrafuerte para medir cómo se movían los electrones, revelando la primera prueba del nuevo estado bose-líquido quiral.

Lingjie Du, de la Nanjing University en China, explica:

“En el borde de la bicapa semiconductora, los electrones y los huecos se mueven a la misma velocidad. Esto da lugar a un transporte de tipo helicoidal, que puede modularse aún más mediante campos magnéticos externos, ya que los canales de electrones y agujeros se separan gradualmente bajo campos más altos”.

Nuevo estado revela propiedades muy interesantes

Este nuevo estado reveló algunas propiedades bastante interesantes. Por ejemplo, los electrones se congelan en un patrón predecible y una dirección de espín fija en el cero absoluto y no pueden ser interferidos por otras partículas o campos magnéticos. Esta estabilidad podría tener aplicaciones en sistemas de almacenamiento digital a nivel cuántico.

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Además, las partículas externas que afectan a un electrón pueden afectar a todos los electrones del sistema, gracias a un entrelazamiento cuántico de alcance relativamente largo. Es como estrellar una bola blanca contra un grupo de bolas de billar y que todas ellas se desplacen en la misma dirección: otro hallazgo que podría ser útil.

Aunque se trata de física de muy alto nivel, cada descubrimiento de este tipo -estas peculiaridades y casos extremos que ocurren fuera de los límites de las interacciones comunes entre partículas- nos acerca a una comprensión completa de nuestro mundo.

Sedrakyan agregó:

“Los estados cuánticos de la materia se encuentran en estos márgenes, y son mucho más extraños que los tres estados clásicos que encontramos en nuestra vida cotidiana”.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en la revista Nature.

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[H/T: umass]

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