En un estudio publicado en Informes científicos , un grupo de investigadores afiliados a la Universidad Estatal de São Paulo (UNESP) en Brasil describe un importante hallazgo teórico que puede contribuir al desarrollo de la computación cuántica y la espintrónica (electrónica de espín), una tecnología emergente que utiliza espín de electrones o momento angular en lugar de carga de electrones para construir más rápido, dispositivos más eficientes.

El estudio contó con el apoyo de la Fundación de Investigaciones de São Paulo — FAPESP. Su investigador principal fue Antonio Carlos Seridonio, profesor del Departamento de Física y Química de la UNESP en Ilha Solteira, Estado de São Paulo. Sus estudiantes de posgrado Yuri Marques, También participaron Willian Mizobata y Renan Oliveira.

Los investigadores observaron que las moléculas con la capacidad de codificar información se producen en sistemas llamados semimetales de Weyl cuando se rompe la simetría de inversión del tiempo.

Estos sistemas pueden considerarse versiones tridimensionales del grafeno y están asociados con tipos de objetos muy peculiares llamados fermiones de Weyl. Estos son sin masa, cuasi relativista, partículas quirales:cuasi relativistas porque se mueven de manera similar a los fotones (las "partículas" fundamentales de la luz) y se comportan como si fueran relativistas, contrayendo el espacio y dilatando el tiempo.

El término "quiral" se aplica a un objeto que no se puede superponer a su imagen especular. Una esfera es aquiral, pero nuestras manos derecha e izquierda son quirales. En el caso de los fermiones Weyl, la quiralidad los hace comportarse como monopolos magnéticos, a diferencia de todos los objetos magnéticos del mundo trivial, que se comportan como dipolos.

Los fermiones de Weyl fueron propuestos en 1929 por un matemático alemán, el físico y filósofo Hermann Weyl (1885-1955) como posible solución a la ecuación de Dirac. Formulado por el físico teórico británico Paul Dirac (1902-1984), esta ecuación combina los principios de la mecánica cuántica y la relatividad especial para describir el comportamiento de los electrones, quarks y otros objetos.

Los fermiones de Weyl son entidades hipotéticas y nunca se han observado libremente en la naturaleza, pero estudios realizados en 2015 demostraron que pueden ser la base para explicar ciertos fenómenos.

Similar a los fermiones de Majorana, que también resuelve la ecuación de Dirac, Los fermiones de Weyl se manifiestan como cuasi-partículas en sistemas moleculares de materia condensada.

Este campo, en el que convergen la física de altas energías y la física de la materia condensada, ha movilizado importantes esfuerzos de investigación, no solo por las oportunidades que ofrece para el desarrollo de la ciencia básica, sino también porque las peculiaridades de estas cuasi-partículas pueden algún día utilizarse en la computación cuántica para codificar información.

El nuevo estudio realizado en la UNESP Ilha Solteira avanzó en esa dirección. "Nuestro estudio teórico se centró en moléculas compuestas por átomos muy separados. Estas moléculas no serían viables fuera del contexto de Weyl porque la distancia entre los átomos les impide formar enlaces covalentes y, por tanto, compartir electrones. Demostramos que la quiralidad de la dispersión de electrones en semimetales de Weyl conduce a la formación de enlaces químicos magnéticos, "Dijo Seridonio.

Ejemplos de semimetales de Weyl incluyen arseniuro de tantalio (TaAs), arseniuro de niobio (NbAs) y fosfuro de tantalio (TaP).

"En estos materiales, Los fermiones de Weyl desempeñan un papel análogo al de los electrones en el grafeno. Sin embargo, el grafeno es un sistema cuasi-2-D, mientras que estos materiales son completamente tridimensionales, "Dijo Seridonio.

El estudio teórico mostró que los fermiones de Weyl en estos sistemas aparecen como divisiones en los fermiones de Dirac, una categoría que comprende todas las partículas de material del llamado Modelo Estándar, con la posible excepción de los neutrinos.

Estas divisiones ocurren en puntos donde la banda de conducción (el espacio en el que circulan los electrones libres) toca la banda de valencia (la capa más externa de electrones en los átomos).

"Una ruptura en la simetría hace que este punto, el nodo de Dirac, dividido en un par de nodos de Weyl con quiralidades opuestas. En nuestro estudio, Rompimos la simetría de inversión del tiempo, "Dijo Seridonio.

La simetría de inversión del tiempo esencialmente significa que un sistema permanece igual si el flujo del tiempo se invierte. "Cuando esta simetría se rompe, la molécula resultante tiene orbitales de espín polarizado ".

En los sistemas moleculares habituales, Los electrones de spin-up y los electrones de spin-down se distribuyen uniformemente en la nube de electrones. Este no es el caso de los sistemas Weyl.

"El resultado es una molécula en la que las nubes de electrones spin-up y spin-down son espacialmente diferentes. Esta peculiaridad se puede utilizar para codificar información porque la molécula se puede asociar con el sistema binario, cuál es el bit o unidad básica de información, "Dijo Seridonio.