En los últimos años, algunos materiales han demostrado ser un campo de juego para los físicos.
Estos materiales no están hechos de nada especial, solo de partículas normales como protones, neutrones y electrones. Pero son más que la suma de suspartes.
Estos materiales cuentan con una variedad de propiedades y fenómenos notables, e incluso han llevado a los físicos a nuevas fases de la materia - más allá de las fases sólidas, gaseosas y líquidas con las que estamos más familiarizados.
Una clase de material que entusiasma especialmente a los físicos es el aislante topológico y, más ampliamente, las fases topológicas, cuyos fundamentos teóricos hicieron que sus descubridores obtuvieran el Premio Nobel en 2016.
En la superficie de un aislante topológico, los electrones fluyen suavemente, mientras que, en el interior, los electrones están inmóviles. Su superficie es, por lo tanto, un conductor similar al metal, pero su interior es un aislante similar a la cerámica.
Los aisladores topológicos han llamado la atención por su inusual física, así como por su uso potencial en computadoras quánticas y los llamados dispositivos espintrónicos, que utilizan los giros de los electrones y su carga.
Pero tales comportamientos exóticos no siempre son obvios.
"No se puede saber fácilmente mirando el material de manera convencional si tiene este tipo de propiedades", dijo Frank Wilczek, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y ganador del Premio Nobel de Física de 2004.
Esto significa que una gran cantidad de materiales aparentemente comunes pueden albergar propiedades ocultas, aunque inusuales y posiblemente útiles.
En un artículo (Quantum Atmospherics for Materials Diagnosis) publicado recientemente en línea, Frank Wilczek y Qing-Dong Jiang, físico de la Universidad de Estocolmo, proponen una nueva forma de descubrir tales propiedades:
al sondear un aura delgada que rodea el material, algo que han denominado una atmósfera quántica.
Algunas de las propiedades quánticas fundamentales de un material podrían manifestarse en esta atmósfera, que los físicos podrían medir.
Si se confirma en experimentos, este fenómeno no solo sería una de las pocas consecuencias macroscópicas de la mecánica quántica, dijo Wilczek, pero también podría ser una herramienta poderosa para explorar una variedad de nuevos materiales.
"Si me hubieran preguntado si podría ocurrir algo como esto, habría dicho que parece una idea razonable", dijo Taylor Hughes, un teórico de la materia condensada en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign.
Pero, agregó,
"Me imagino que el efecto es muy pequeño".
Sin embargo, en el nuevo análisis, Jiang y Wilczek calcularon que, en principio, un efecto atmosférico quántico estaría dentro del rango de detectabilidad.
No solo eso, dijo Wilczek, sino que la detección de tales efectos puede lograrse más pronto que tarde.
Una zona de influencia
Una atmósfera quántica, explicó Wilczek, es una delgada zona de influencia alrededor de un material.
Según la mecánica quántica, un vacío no está completamente vacío; más bien, está lleno de fluctuaciones quánticas.
Por ejemplo, si toma dos placas sin carga y las junta en un vacío, solo las fluctuaciones quánticas con longitudes de onda más cortas que la distancia entre las placas pueden apretarse entre ellas.6
Fuera de las placas, sin embargo, pueden caber fluctuaciones de todas las longitudes de onda.
La energía externa será mayor que la interna, lo que resultará en una fuerza neta que empujará las placas juntas. Llamado el Efecto Casimir, este fenómeno es similar a la influencia de una atmósfera quántica, dijo Wilczek.
Al igual que una placa siente una fuerza más fuerte a medida que se acerca a otra, una sonda parecida a una aguja sentiría un efecto de la atmósfera quántica cuando se acerca a un material.
"Es como cualquier ambiente", dijo Wilczek. "Te acercas y empiezas a ver su influencia".
Y la naturaleza de esa influencia depende de las propiedades quánticas del propio material.
El antimonio puede comportarse
como aislante topológico
- Un material que actúa como aislante.
En todas partes excepto en su superficie.
RobLavinsky
RobLavinsky
Esas propiedades pueden ser extraordinarias.
Ciertos materiales actúan como sus propios universos con sus propias leyes físicas, como si comprendieran lo que recientemente se llamó un multiverso de materiales (The Expanding Materials Multiverse).
"Una idea muy importante en la física moderna de materia condensada es que estamos en posesión de estos materiales, por ejemplo, un aislante topológico, que tienen diferentes reglas internas", dijo Peter Armitage, un físico de materia condensada en la Universidad Johns Hopkins.
Algunos materiales, por ejemplo, albergan objetos que actúan como monopolos magnéticos, imanes en forma de puntos con un polo norte pero sin polo sur.
Los físicos también han detectado las denominadas cuasipartículas con carga eléctrica fraccionaria y cuasipartículas que actúan como su propia antimateria (Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices), con la capacidad de aniquilarse.
"Parecen muy inocentes,
pero de alguna manera
Se han estado escondiendo en secreto". Frank Wilczek
Instituto de Tecnología de Massachusetts
Si existen propiedades exóticas similares en otros materiales, podrían revelarse en atmósferas quánticas.
En principio, podría descubrir todo tipo de propiedades nuevas simplemente explorando las atmósferas de los materiales, dijo Wilczek.
Para demostrar su idea, Jiang y Wilczek se centraron en un conjunto de reglas poco ortodoxas llamadas electrodinámica del axión, que podrían dar lugar a propiedades únicas.
Wilczek ideó la teoría en 1987 para describir cómo una partícula hipotética llamada axión interactuaría con la electricidad y el magnetismo.
(Los físicos habían propuesto previamente el axión como una solución a una de las preguntas sin resolver más grandes de la física: por qué las interacciones que involucran la fuerza fuerte son las mismas incluso cuando las partículas se intercambian con sus antipartículas y se reflejan en un espejo, preservando la llamada simetría de carga y paridad.)
Hasta el día de hoy, nadie ha encontrado evidencia de que existan axiones, a pesar de que recientemente han ganado un interés renovado como candidato para la materia oscura.
Si bien estas reglas no parecen ser válidas en la mayor parte del universo, resulta que pueden entrar en juego dentro de un material como un aislante topológico.
"La forma en que los campos electromagnéticos interactúan con estos nuevos tipos de materia llamados aislantes topológicos es básicamente la misma forma en que interactúan con una colección de axiones", dijo Wilczek.
Defectos del diamante
Si un material como un aislante topológico obedece a la electrodinámica del axión, su atmósfera quántica podría inducir un efecto revelador sobre cualquier cosa que se cruce hacia la atmósfera.
Jiang y Wilczek calcularon que tal efecto sería similar al de un campo magnético. En particular, encontraron que, si se colocara algún sistema de átomos o moléculas en la atmósfera, sus niveles de energía quántica serían alterados.
Un investigador podría medir estos niveles alterados utilizando técnicas de laboratorio estándar.
"Es una idea poco convencional pero bastante interesante", dijo Armitage.
Uno de estos sistemas potenciales es una sonda de diamante con características llamadas centro nitrógeno-vacante.
Un centro de NV es un tipo de defecto en la estructura cristalina de un diamante, donde algunos de los átomos de carbono del diamante son intercambiados por átomos de nitrógeno, y donde el punto adyacente al nitrógeno está vacío.
El estado quántico de este sistema es altamente sensible, lo que permite que los centros NV detecten incluso campos magnéticos muy débiles.
Esta propiedad los convierte en sensores potentes que se pueden usar para una variedad de aplicaciones en geología y biología.
"Esta es una buena prueba de principio", dijo Hughes.
Una aplicación, agregó, podría ser mapear las propiedades de un material.
Al pasar un centro de NV a través de un material como un aislante topológico, puede determinar cómo sus propiedades pueden variar a lo largo de la superficie.
El artículo de Jiang y Wilczek, que han enviado a Physical Review Letters, detalla solo la influencia atmosférica quántica derivada de la electrodinámica del axión.
Para determinar cómo otros tipos de propiedades afectan una atmósfera, dijo Wilczek, tendrías que hacer diferentes cálculos.
Rompiendo simetrías
Fundamentalmente, las propiedades que desenmascaran las atmósferas quánticas son simetrías.
Las diferentes fases de la materia, y las propiedades únicas de una fase, se pueden pensar en términos de simetría. En un cristal sólido, por ejemplo, los átomos están dispuestos en una red simétrica que se desplaza o gira para formar un patrón de cristal idéntico.
Sin embargo, cuando se aplica calor, los enlaces se rompen, la estructura reticular se colapsa y el material, ahora un líquido con propiedades marcadamente diferentes, pierde su simetría.
Los materiales pueden romper otras simetrías fundamentales, como la simetría de inversión temporal, que obedecen a la mayoría de las leyes de la física. O los fenómenos pueden ser diferentes cuando se miran en el espejo, una violación de la simetría de paridad.
Si estas simetrías se rompen en un material podría significar transiciones de fase previamente desconocidas y propiedades potencialmente exóticas. Un material con ciertas simetrías rotas induciría las mismas violaciones en una sonda que está dentro de su atmósfera quántica, dijo Wilczek.
Por ejemplo, en un material que se adhiere a la electrodinámica del axión, la simetría de tiempo y paridad se rompe, pero la combinación de los dos no.
Al explorar la atmósfera de un material, se podría aprender si sigue este patrón de ruptura de simetría y en qué medida -y por lo tanto, qué extraños comportamientos puede tener, dijo.
"Algunos materiales romperán en secreto simetrías que no conocíamos y que no sospechamos", dijo. "Parecen muy inocentes, pero de alguna manera se han estado escondiendo en secreto".
Wilczek dijo que ya ha hablado con experimentadores que están interesados en probar la idea.
Lo que es más, dijo, los experimentos deberían ser fácilmente factibles, con suerte llegar a buen término no en años, sino en solo semanas y meses.
Si todo funciona, entonces el término "atmósfera quántica" puede encontrar un lugar permanente en el léxico de la física.
Wilczek ha acuñado previamente términos como,
Tiene un buen historial de idear nombres que se pegan, dijo Armitage.
"'Las atmósferas quánticas' es otra buena".
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