Un equipo internacional de científicos ha logrado un avance impresionante en el estudio de materiales cuánticos gracias a un experimento realizado en Florida. Utilizando el imán más potente del mundo, descubrieron un comportamiento extraño en un material que podría tener aplicaciones revolucionarias en tecnologías futuras, desde baterías hasta dispositivos médicos.

El experimento se llevó a cabo en el National High Magnetic Field Laboratory de Florida, conocido por tener un imán capaz de generar un campo magnético 900.000 veces más fuerte que el de la Tierra. Este campo es tan potente que puede hacer levitar pequeños objetos, como gotas de agua. En este ambiente único, los investigadores trabajaron con un material llamado ZrSiS, enfriado a temperaturas extremas, cercanas al cero absoluto, la temperatura más baja posible en el universo.

El objetivo era investigar cómo este material respondía a la luz infrarroja bajo la influencia de un campo magnético tan intenso. Lo que encontraron dejó a los científicos desconcertados. Aunque el material mostró algunas características esperadas, también presentó fenómenos completamente nuevos y desconcertantes, como si estuviera rompiendo las reglas conocidas de la física.

Los científicos compararon el comportamiento de las partículas dentro del material con un tren que viaja por una red de vías. En algunas direcciones, este tren puede moverse extremadamente rápido, como si no tuviera peso. Pero, al cambiar de dirección, de repente encuentra resistencia y adquiere masa. Esto significa que las partículas dentro del material cambian entre ser “ligeras” o “pesadas”, dependiendo de hacia dónde se muevan.

Paul Dirac
Retrato de Paul Dirac, por Clara Ewald (1939). Crédito: Dominio público / Wikimedia Commons

Este descubrimiento se relaciona con algo llamado semi-fermiones de Dirac, partículas teóricas que hasta ahora solo se habían modelado matemáticamente. Sin embargo, en este experimento, los investigadores pudieron observarlas directamente por primera vez en un material real.

El material en cuestión, ZrSiS, es similar al grafito, el mismo material que encontramos en los lápices. Al igual que el grafito, puede separarse en capas extremadamente delgadas, incluso tan delgadas como un solo átomo. Si los científicos logran perfeccionar esta técnica con el ZrSiS, podrían controlar las propiedades de las partículas cuánticas con la misma precisión que el grafeno, un material clave en muchas tecnologías emergentes.

El potencial de este material es enorme. Los semi-fermiones de Dirac que contiene podrían aprovecharse para crear dispositivos electrónicos más rápidos y eficientes, sensores ultrafinos o incluso mejorar tecnologías de almacenamiento de energía como las baterías. Sin embargo, lo más emocionante es que los resultados del experimento plantean más preguntas que respuestas. Según los investigadores, aún queda mucho por entender sobre cómo y por qué este material se comporta de manera tan peculiar.

Este descubrimiento fue posible gracias a la colaboración de científicos de prestigiosas universidades como Penn State, Columbia y Princeton, además de instituciones en Europa. El proyecto fue financiado por entidades como la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. y el Departamento de Energía.

FUENTES

Penn State

Yimming Shao, Seongphill Moon, et al., Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal. Phys. Rev. X 14, 041057. doi.org/10.1103/PhysRevX.14.041057

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