En un descubrimiento sorprendente, Los físicos de Princeton han observado un comportamiento cuántico inesperado en un aislante hecho de un material llamado ditelurida de tungsteno. Este fenómeno, conocida como oscilación cuántica, se observa típicamente en metales en lugar de aislantes, y su descubrimiento ofrece nuevos conocimientos sobre nuestra comprensión del mundo cuántico. Los hallazgos también apuntan a la existencia de un tipo completamente nuevo de partícula cuántica.

El descubrimiento desafía una distinción de larga data entre metales y aislantes, porque en la teoría cuántica de los materiales establecida, No se pensaba que los aisladores pudieran experimentar oscilaciones cuánticas.

"Si nuestras interpretaciones son correctas, estamos viendo una forma fundamentalmente nueva de materia cuántica, "dijo Sanfeng Wu, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton y autor principal de un artículo reciente en Naturaleza detallando este nuevo descubrimiento. "Ahora estamos imaginando un mundo cuántico completamente nuevo escondido en aisladores. Es posible que simplemente no los identificamos durante las últimas décadas".

La observación de oscilaciones cuánticas se ha considerado durante mucho tiempo un sello distintivo de la diferencia entre metales y aislantes. En metales, los electrones son muy móviles, y la resistividad, la resistencia a la conducción eléctrica, es débil. Hace casi un siglo, los investigadores observaron que un campo magnético, junto con temperaturas muy bajas, puede hacer que los electrones cambien de un estado "clásico" a un estado cuántico, provocando oscilaciones en la resistividad del metal. En aisladores, por el contrario, los electrones no pueden moverse y los materiales tienen una resistividad muy alta, por lo que no se espera que ocurran oscilaciones cuánticas de este tipo, no importa la fuerza del campo magnético aplicado.

El descubrimiento se realizó cuando los investigadores estaban estudiando un material llamado ditelurida de tungsteno, que hicieron en un material bidimensional. Prepararon el material usando cinta adhesiva estándar para exfoliar cada vez más, o "afeitarse, "las capas hasta lo que se llama una monocapa, una capa delgada de un solo átomo. La ditelurida de tungsteno gruesa se comporta como un metal. Pero una vez que se convierte en una monocapa, se convierte en un aislante muy fuerte.

"Este material tiene muchas propiedades cuánticas especiales, "Dijo Wu.

Luego, los investigadores se dispusieron a medir la resistividad de la ditelurida de tungsteno monocapa bajo campos magnéticos. Para su sorpresa, la resistividad del aislante, a pesar de ser bastante grande, comenzó a oscilar a medida que aumentaba el campo magnético, indicando el cambio a un estado cuántico. En efecto, el material, un aislante muy fuerte, exhibía la propiedad cuántica más notable de un metal.

"Esto fue una completa sorpresa, "Dijo Wu". Nos preguntamos:'¿Que está pasando aqui?' Aún no lo entendemos del todo ".

Wu señaló que no existen teorías actuales para explicar este fenómeno.

Sin embargo, Wu y sus colegas han presentado una hipótesis provocativa:una forma de materia cuántica que tiene carga neutra. "Debido a interacciones muy fuertes, los electrones se están organizando para producir este nuevo tipo de materia cuántica, "Dijo Wu.

Pero, en última instancia, ya no son los electrones los que oscilan, dijo Wu. En lugar de, los investigadores creen que las nuevas partículas, que han denominado "fermiones neutros, "nacen de estos electrones que interactúan fuertemente y son responsables de crear este efecto cuántico muy notable.

Los fermiones son una categoría de partículas cuánticas que incluyen electrones. En materiales cuánticos, Los fermiones cargados pueden ser electrones cargados negativamente o "huecos" cargados positivamente que son responsables de la conducción eléctrica. A saber, si el material es un aislante eléctrico, estos fermiones cargados no pueden moverse libremente. Sin embargo, partículas que son neutras, es decir, ni con carga negativa ni positiva:teóricamente es posible que estén presentes y sean móviles en un aislante.

"Nuestros resultados experimentales entran en conflicto con todas las teorías existentes basadas en fermiones cargados, "dijo Pengjie Wang, co-primer autor del artículo e investigador asociado postdoctoral, "pero podría explicarse en presencia de fermiones de carga neutra".

El equipo de Princeton planea realizar más investigaciones sobre las propiedades cuánticas de la ditelurida de tungsteno. Están particularmente interesados ​​en descubrir si su hipótesis —sobre la existencia de una nueva partícula cuántica— es válida.

"Este es solo el punto de partida, "Dijo Wu." Si estamos en lo cierto, los futuros investigadores encontrarán otros aislantes con esta sorprendente propiedad cuántica ".

A pesar de la novedad de la investigación y la interpretación tentativa de los resultados, Wu especuló sobre cómo se podría poner en práctica este fenómeno.

"Es posible que los fermiones neutros puedan usarse en el futuro para codificar información que sería útil en la computación cuántica". ", dijo." Mientras tanto, aunque, todavía estamos en las primeras etapas de comprensión de fenómenos cuánticos como este, así que hay que hacer descubrimientos fundamentales ".