En física, Hay muy diferentes tipos de partículas:Las partículas elementales son los bloques de construcción fundamentales de la materia. Otras partículas, como los átomos, son estados ligados que constan de varios constituyentes más pequeños. Y luego están las llamadas "cuasi-partículas":excitaciones en un sistema que consta de muchas partículas, que en muchos sentidos se comportan como una partícula.

Una cuasipartícula de este tipo se ha descubierto ahora en simulaciones por ordenador en TU Wien (Viena) y se ha denominado pi-ton. Consta de dos electrones y dos huecos. La nueva partícula se presenta en la revista Cartas de revisión física , el artículo también describe cómo se puede detectar el pi-ton experimentalmente.

Un agujero es casi una partícula

"La cuasi-partícula más simple es un agujero, "explica el profesor Karsten Held del Instituto de Física del Estado Sólido en TU Wien." Imaginemos, por ejemplo, que muchos átomos están dispuestos en un patrón regular en un cristal y que hay un electrón en movimiento en cada átomo. Sólo falta el electrón en un átomo en particular; a esto se le llama agujero. "Ahora un electrón puede moverse hacia arriba desde el átomo vecino. El agujero original está cerrado, se abre un nuevo agujero.

En lugar de describir el movimiento de electrones en constante movimiento, es más fácil estudiar el movimiento del agujero. Si los electrones se mueven hacia la derecha, el agujero se mueve hacia la izquierda, y este movimiento sigue ciertas reglas físicas, al igual que el movimiento de una partícula ordinaria. Sin embargo, a diferencia de un electrón, que también se puede observar fuera del cristal, el agujero solo existe junto con las otras partículas. En este caso hablamos de una "cuasi-partícula".

"Sin embargo, la línea divisoria entre partículas y cuasi-partículas no es tan clara como podría pensarse, ", dice Karsten Held." Estrictamente hablando, incluso las partículas ordinarias solo pueden entenderse en el contexto de su entorno. Incluso en el vacío Las excitaciones de los orificios de partículas ocurren constantemente, aunque por muy poco tiempo. Sin ellos, la masa de un electrón, por ejemplo, sería completamente diferente. En este sentido, incluso en experimentos con electrones ordinarios, lo que vemos es realmente un electrón cuasi-partícula ".

Bonos más complicados

Pero también hay cuasi-partículas más complejas:el excitón, por ejemplo, que juega un papel importante en la física de semiconductores. Es un estado ligado que consta de un electrón y un agujero, que es creado por la luz. El electrón está cargado negativamente, el agujero es la ausencia de una carga negativa y, por lo tanto, una carga positiva. Ambos se atraen y pueden formar un vínculo.

"De hecho, queríamos investigar esos excitones, "informan la Dra. Anna Kauch y la Dra. Petra Pudleiner, los primeros autores del artículo. "Desarrollamos simulaciones por computadora para calcular efectos físicos cuánticos en sólidos". Pero pronto Anna Kauch, Petra Pudleiner y su colega Katharina Astleithner se dieron cuenta de que habían encontrado algo totalmente diferente en sus cálculos:un tipo de cuasi-partícula completamente nuevo. Consiste en dos electrones y dos huecos que se acoplan al mundo exterior a través de fotones.

El equipo le dio a este objeto previamente desconocido el nombre pi-ton. "" El nombre pi-ton proviene del hecho de que los dos electrones y dos huecos se mantienen unidos por fluctuaciones de densidad de carga o fluctuaciones de espín que siempre invierten su carácter 180 grados desde un punto de celosía del cristal al siguiente, es decir por un ángulo de pi, medido en radianes, "explica Anna Kauch." Este cambio constante de más a menos quizás pueda imaginarse como un cambio de negro a blanco en un tablero de ajedrez, ", dice Petra Pudleiner. El pi-ton se crea espontáneamente al absorber un fotón. Cuando desaparece, se emite de nuevo un fotón.

La partícula que salió de la computadora.

Hasta aquí, el pi-ton ha sido descubierto y verificado mediante simulaciones por ordenador. Para el equipo de investigación, no hay duda sobre la existencia del pi-ton:"Ahora hemos investigado el fenómeno del pi-ton utilizando varios modelos; aparece una y otra vez. Por lo tanto, definitivamente debería ser detectable en una variedad de materiales diferentes. ", Karsten Held está convencido. "Algunos datos experimentales obtenidos con el material titanato de samario ya parecen apuntar al pi-ton. Experimentos adicionales con fotones y neutrones pronto proporcionarán claridad".

Aunque estamos constantemente rodeados de innumerables cuasipartículas, el descubrimiento de una nueva especie de cuasipartículas es algo muy especial. Además del excitón, ahora también está el pi-ton. En todo caso, esto contribuye a una mejor comprensión del acoplamiento entre la luz y los sólidos, un tema que juega un papel importante no solo en la investigación básica sino también en muchas aplicaciones técnicas, desde la tecnología de semiconductores hasta la energía fotovoltaica.