La elusiva excitonía, cuya existencia no ha sido probada experimentalmente durante casi medio siglo, finalmente se ha mostrado a los investigadores. Así lo informa un artículo que un equipo de investigación liderado por Peter Abbamonte publicó en la revista Science.
Recordemos esto en pocas palabras. Es conveniente describir el movimiento de los electrones en un semiconductor utilizando el concepto de agujero, un lugar donde falta un electrón. El agujero, por supuesto, no es una partícula como un electrón o un protón. Sin embargo, se comporta como una partícula de muchas formas. Por ejemplo, puede describir su movimiento y considerar que lleva una carga eléctrica positiva. Por lo tanto, los físicos denominan cuasipartículas a objetos como un agujero.
Hay otras cuasipartículas en mecánica cuántica. Por ejemplo, un par de Cooper: un dúo de electrones que se mueven como un todo. También hay una cuasipartícula de excitón, que es un par de un electrón y un agujero.
Las excitaciones se predijeron teóricamente en la década de 1930. Mucho más tarde se descubrieron experimentalmente. Sin embargo, nunca antes se había observado un estado de la materia conocido como excitón.
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Expliquemos de qué estamos hablando. Tanto las partículas reales como las cuasipartículas se dividen en dos grandes clases: fermiones y bosones. Los primeros incluyen, por ejemplo, protones, electrones y neutrones, los últimos, fotones.
Los fermiones obedecen a una ley física conocida como principio de exclusión de Pauli: dos fermiones en el mismo sistema cuántico (por ejemplo, dos electrones en un átomo) no pueden estar en el mismo estado. Por cierto, es gracias a esta ley que los electrones del átomo ocupan orbitales diferentes y no son reunidos por toda la multitud en el nivel de energía inferior más "conveniente". Así que es precisamente por el principio de Pauli que las propiedades químicas de los elementos de la tabla periódica son como las conocemos.
La prohibición de Pauli no se aplica a los bosones. Por lo tanto, si es posible crear un sistema cuántico unificado a partir de muchos bosones (como regla, esto requiere una temperatura extremadamente baja), entonces toda la empresa se acumula felizmente en el estado con la energía más baja.
Este sistema a veces se denomina condensado de Bose. Su caso especial es el famoso condensado de Bose-Einstein, donde átomos enteros actúan como bosones (también escribimos sobre este notable fenómeno). Por su descubrimiento experimental, se le otorgó el Premio Nobel de Física de 2001.
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La cuasipartícula ya mencionada de dos electrones (par de Cooper) no es un fermión, sino un bosón. La formación masiva de estos pares conduce a un fenómeno tan notable como la superconductividad. La unificación de fermiones en un bosón de cuasipartícula debe su apariencia a la superfluidez en el helio-3.
Los físicos han soñado durante mucho tiempo con obtener tal condensado de Bose en un cristal tridimensional (y no en una película delgada), cuando los electrones se combinan masivamente con agujeros para formar excitones. Después de todo, los excitones también son bosones. Este es el estado de la materia que se llama excitonía.
Es extremadamente interesante para los científicos, como cualquier estado en el que los volúmenes macroscópicos de materia exhiban propiedades exóticas que solo pueden explicarse mediante la mecánica cuántica. Sin embargo, todavía no ha sido posible obtener este estado de forma experimental. Más bien, no fue posible probar que fue recibido.
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El hecho es que en términos de aquellos parámetros susceptibles de ser investigados usando técnicas existentes (por ejemplo, la estructura de una superrejilla), las excitonías son indistinguibles de otro estado de la materia, conocido como fase de Peierls. Por lo tanto, los científicos no pudieron decir con certeza cuál de las dos condiciones lograron obtener.
Este problema fue resuelto por el grupo Abbamonte. Los investigadores han perfeccionado una técnica experimental conocida como espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS).
En el curso de este tipo de investigación, los físicos bombardean la materia con electrones, cuya energía se encuentra en un rango estrecho previamente conocido. Después de interactuar con la muestra, el electrón pierde algo de su energía. Al medir cuánta energía han perdido ciertos electrones, los físicos extraen conclusiones sobre la sustancia en estudio.
Los autores pudieron agregar información a esta técnica. Encontraron una manera de medir no solo el cambio en la energía de un electrón, sino también el cambio en su momento. Llamaron al nuevo método M-EELS (la palabra en inglés para momentum significa "impulso").
Los científicos decidieron probar su innovación en cristales de diclorohidrato de dicalcogenuro de titanio (1T-TiSe2). Para su sorpresa, a temperaturas cercanas a menos 83 grados Celsius, encontraron signos claros de un estado que precede a la formación de excitonio, la llamada fase de plasmones blandos. Los resultados se reprodujeron en cinco cristales diferentes.
“Este resultado tiene un significado cósmico”, dijo Abbamonte en un comunicado de prensa. “Desde que el término 'excitonía' fue acuñado en la década de 1960 por el físico teórico de Harvard Bert Halperin, los físicos han tratado de demostrar su existencia. Los teóricos debatieron si sería un aislante, un conductor ideal o un superfluido, con algunos argumentos convincentes de todos los lados. Desde la década de 1970, muchos experimentadores han publicado pruebas de la existencia de excitonía, pero sus resultados no han sido pruebas concluyentes y son igualmente atribuibles a las transiciones de fase estructural tradicionales.
Es muy pronto para hablar de las aplicaciones del excitonio en la tecnología, pero el método desarrollado por los científicos permitirá investigar otras sustancias para buscar este estado exótico y estudiar sus propiedades. En el futuro, esto puede conducir a importantes avances técnicos. Baste recordar, por ejemplo, que fue el descubrimiento de la superconductividad lo que permitió a los ingenieros crear imanes súper fuertes. Y le dieron al mundo tanto el Gran Colisionador de Hadrones como los trenes bala. Y los efectos cuánticos también se utilizan para crear computadoras cuánticas. Incluso las computadoras más comunes serían imposibles si la mecánica cuántica no explicara el comportamiento de los electrones en un semiconductor. Entonces, el descubrimiento fundamental realizado por el equipo de Abbamonte podría traer los resultados tecnológicos más inesperados.
Anatoly Glyantsev
