Los físicos se topan con materia hecha de bosones

Tome una cuadrícula, una sección plana de una cuadrícula de celdas regulares, como una pantalla de ventana o un panal, y coloque otra cuadrícula similar encima. Pero en lugar de tratar de alinear los bordes o las celdas de cada una de las rejillas, gire la rejilla superior para que pueda ver a través de ellas partes de la rejilla inferior. Este nuevo tercer patrón es moiré, y es entre este tipo de disposición anidada de redes de disulfuro de tungsteno y diseleniuro de tungsteno donde los físicos de la Universidad de California en Santa Bárbara han encontrado un comportamiento material interesante.

«Descubrimos un nuevo estado de la materia: un aislante bosónico coherente», dijo Richen Xiong, estudiante investigador graduado en el grupo de Chenhao Jin, físico de materia condensada en la UCLA y autor principal de un artículo en la revista Science. Según Xiong, Jin y colaboradores de la UCSB, la Universidad Estatal de Arizona y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, esta es la primera vez que estos materiales se crean en un sistema material «real» (en lugar de sintético). La sustancia única es un cristal altamente ordenado de partículas bosónicas llamadas excitones.

«Tradicionalmente, la gente ha puesto la mayor parte de su esfuerzo en comprender qué sucede cuando se juntan muchos fermiones», dijo Jin. «El principal impulsor de nuestro trabajo es que esencialmente hemos creado un nuevo material a partir de bosones que interactúan».

Dos apilados ligeramente desplazados crean un nuevo patrón llamado muaré. Crédito: Matt Bierko

bosónico. roscado aislante.

Las partículas subatómicas vienen en uno de dos tipos amplios: fermiones y bosones. Una de las mayores diferencias está en su comportamiento, dijo Jin.

“Los bosones pueden ocupar el mismo nivel de energía, a los fermiones no les gusta permanecer juntos”, dijo. Juntos, estos comportamientos construyen el universo tal como lo conocemos».

Los fermiones, como los electrones, son la base de la materia con la que estamos más familiarizados porque son estables e interactúan a través de la fuerza electrostática. Mientras tanto, los bosones, como los fotones (partículas de luz), tienden a ser más difíciles de crear o manipular porque son transitorios o no interactúan entre sí.

La evidencia de su comportamiento distintivo, explicó Xiong, radica en sus diferentes propiedades mecánicas cuánticas. Los fermiones tienen «giros» de medio entero como 1/2 o 3/2, mientras que los bosones tienen giros de enteros (1, 2, etc.). Un excitón es un estado en el que un electrón cargado negativamente (un fermión) está unido a su correspondiente «agujero» cargado positivamente (otro fermión), girando la mitad de un número entero para convertirse en un número entero, lo que da como resultado un bosón.

Laboratorio de Jin, de izquierda a derecha: Tian Shi, Riqin Xiong, Chenhao Jin, Samuel L Brantley. crédito
Sonia Fernández

Para crear e identificar los excitones en su sistema, los investigadores colocaron las dos redes en capas y las iluminaron con luces intensas con un método que llaman «espectroscopia de bomba». La colección de partículas de ambas redes (electrones de disulfuro de tungsteno y huecos de dióxido de tungsteno) y la luz crearon un entorno propicio para la formación de excitones y las interacciones entre ellos, al tiempo que permitieron a los investigadores probar el comportamiento de estas partículas.

«Y cuando estos excitones alcanzaron cierta densidad, ya no pudieron moverse», dijo Jin. Gracias a las fuertes interacciones, los comportamientos colectivos de estas partículas a cierta densidad las forzaron a un estado cristalino y crearon un efecto aislante debido a su estabilidad.

«Lo que sucedió aquí es que descubrimos la relación que llevó a los bosones a un estado de orden superior», agregó Xiong. En general, una colección suelta de bosones bajo temperaturas muy frías formaría un condensador, pero en este régimen, tanto con luz como con mayor densidad e interacción a temperaturas relativamente más altas, se organizaron en un aislador sólido neutralmente cargado simétricamente.

La creación de este estado exótico de la materia demuestra que la plataforma de los investigadores para la espectroscopia moiré y de bomba puede convertirse en un medio importante para crear e investigar materiales bosónicos.

«Hay muchas fases corporales con fermiones que conducen a cosas como la superconductividad», dijo Xiong. También hay muchos cuerpos similares a los bosones que también son fases exóticas. Así que lo que hicimos fue crear una plataforma, porque realmente no teníamos una gran manera de estudiar los bosones en materiales reales». Agregó que si bien los excitones estaban bien estudiados, ni siquiera este proyecto tenía una manera de convencerlos de interactuar fuertemente con entre sí.

A través de su método, según Jain, puede ser posible no solo estudiar partículas bosónicas conocidas como los excitones, sino también abrir más ventanas al mundo de la materia condensada con nuevos materiales bosónicos.

«Sabemos que algunos materiales tienen propiedades muy extrañas», dijo. «Uno de los objetivos de la física de la materia condensada es comprender por qué tiene propiedades tan ricas y encontrar formas de hacer que estos comportamientos parezcan más confiables».

Referencia: “Aislante coherente de excitones en WSe₂/ WS₂ Super Moire” de Richen Xiong, Jacob H.Ni, Samuel L. Brantley, Patrick Hayes, Renee Silos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Svaten Tongai y Chenhao Jin 11 de mayo de 2023, disponible aquí. Ciencias.
DOI: 10.1126/ciencia.add5574