la masa depende de su movimiento

La ciencia ficción, a veces, se queda corta respecto a los avances científicos. ¿Te imaginas dirigirte hacia un sitio y «pesar» (ojo que no es lo mismo que masa, solemos confundirlo) en esa dirección, pero moverte hacia otro lugar y dejar de «pesar»? Dieta direccional, podríamos llamarlo de forma coloquial. Se ha demostrado que esto puede ocurrir… bueno, no a nosotros, a ciertas partículas desobedientes y salvajes.

El mundo de la física cuántica ha sido testigo de un hallazgo fascinante: la primera observación de fermiones semi-Dirac en un material cristalino conocido como ZrSiS. Estas partículas, teorizadas por primera vez hace más de 16 años, han sido detectadas gracias a un conjunto de técnicas experimentales innovadoras. Este descubrimiento valida teorías previas sobre estos cuasipartículas y son una oportunidad para indagar sobre sus posibles usos tecnológicos en áreas como sensores, baterías y computación cuántica​​​.

El artículo, publicado en Physical Review X detalla cómo un equipo internacional de investigadores liderado por Yinming Shao, detalla que utilizó espectroscopia magneto-óptica para observar estas partículas exóticas. Las implicaciones del hallazgo van mucho más allá de la validación experimental: se trata de un paso crucial para comprender las complejas interacciones entre partículas cuánticas y para explorar materiales con propiedades electrónicas únicas​​.

¿Qué son los fermiones semi-Dirac?

Los fermiones semi-Dirac son cuasipartículas que presentan un comportamiento peculiar: son sin masa en una dirección, pero poseen masa en la dirección perpendicular. Esta propiedad híbrida las diferencia de otras partículas fundamentales y les confiere características de películo, como la escalabilidad B²/³ de los niveles de Landau, que fue el punto clave para su identificación​​.

En el contexto del material ZrSiS, los fermiones semi-Dirac hacen acto de presencia en puntos donde las líneas nodales se cruzan. Estas líneas nodales son regiones en el espacio-momento donde las bandas de energía del material se tocan, un evento que produce singularidades que dan lugar a estas cuasipartículas. Los investigadores observaron este fenómeno mediante una combinación de experimentos en laboratorios de alta intensidad magnética y modelado teórico avanzado​​​.

Los fermiones semi-Dirac fueron teorizados por primera vez entre 2008 y 2009 por varios grupos de investigadores que investigaba sistemas electrónicos con propiedades especiales. Entre los más destacados se encuentran P. Dietl, F. Piéchon, G. Montambaux, V. Pardo y W. E. Pickett.

La relevancia de los niveles de Landau

Para entender la importancia de este descubrimiento, es esencial hablar de los niveles de Landau, un concepto fundamental en mecánica cuántica. Cuando un material se somete a un campo magnético, las energías de los electrones dentro de él se cuantizan en valores discretos, conocidos como niveles de Landau. Lo interesante en este caso es que los fermiones semi-Dirac no siguen las reglas convencionales: la energía de sus transiciones no se ajusta a las dependencias lineales habituales, sino a una relación de escala B²/³, una firma inconfundible de estas partículas​​.

En los experimentos llevados a cabo en el Laboratorio Nacional de Campos Magnéticos Altos en Florida, se emplearon un imán capaz de generar un campo 900,.veces más fuerte que el de la Tierra. Esto permitió a los científicos observar estas peculiaridades en los cristales de ZrSiS. Este campo extremo reveló cómo los fermiones semi-Dirac alternan entre comportarse como partículas masivas y sin masa, dependiendo de la dirección en que se mueven​​.

¿Cómo se realizó el descubrimiento?

El equipo liderado por Shao y sus colaboradores utilizó espectroscopia magneto-óptica, un método que implica dirigir luz infrarroja hacia el material mientras este se encuentra bajo un campo magnético intenso. Los patrones reflejados por el material fueron los que mostraron la presencia de los fermiones semi-Dirac. Según Shao, el hallazgo fue completamente inesperado, ya que inicialmente no estaban buscando este tipo de partículas, sino analizando propiedades generales de los electrones en ZrSiS​​.

«Ni siquiera estábamos buscando un fermión semi-Dirac cuando empezamos a trabajar con este material, pero estábamos viendo firmas que no entendíamos, y resulta que habíamos hecho la primera observación de estas cuasipartículas salvajes que a veces se mueven como si tuvieran masa y a veces se mueven como si no tuvieran ninguna», afirma Shao.

Yinming Shao ha mostrado una analogía para explicar el comportamiento peculiar de los fermiones semi-Dirac. Compara estas partículas con un tren que se desplaza por una red de vías, donde cada camino representa la estructura electrónica del material. Según esta idea, el tren puede moverse sin restricciones a alta velocidad por una de las vías principales, pero cuando llega a un cruce y cambia de dirección hacia una vía perpendicular, encuentra resistencia y, por tanto, adquiere masa. Este fenómeno ejemplifica cómo las partículas pueden alternar entre «ser energía pura» o tener masa, dependiendo de la trayectoria que sigan dentro de la red subyacente del material​​.

Además del trabajo experimental, los investigadores realizaron simulaciones teóricas detalladas para modelar las estructuras electrónicas del material. Encontraron que las propiedades únicas de los fermiones semi-Dirac se originan en puntos específicos donde las líneas nodales del material se cruzan, para así crear una mezcla caracteristica de dispersión lineal y cuadrática​​​.

Y esto… ¿para qué sirve?

No podemos quedarnos en que el descubrimiento de los fermiones semi-Dirac sea una simple curiosidad académica. Podría tener increíbles repercusiones tecnológicas. Los materiales con estas propiedades podrían usarse para desarrollar dispositivos electrónicos más eficientes y precisos, así como sensores avanzados y sistemas de almacenamiento de energía. El ZrSiS, al ser un material en capas similar al grafeno, tiene el potencial de ser manipulado para aprovechar las propiedades de estas cuasipartículas​​.

Sin embargo, como destaca el equipo de investigación, aún quedan muchas incógnitas por resolver. Las observaciones experimentales plantean preguntas sobre las interacciones electrónicas y la estructura cuántica subyacente que da lugar a los fermiones semi-Dirac. Estas preguntas serán el foco de futuros estudios, que buscarán explorar cómo controlar y explotar estas propiedades únicas​​​. Es la base de la ciencia: formular nuevas preguntas cada vez que se responde una.

Referencias

• Shao, Y. et al. (2024). Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal. Physical Review X. DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041057.
• Pardo, V., & Pickett, W. E. (2009). Half-Metallic Semi-Dirac-Point Generated by Quantum Confinement in TiO2/VO2 Nanostructures. Physical Review Letters, 102(16), 166803. DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.166803.
• P. Dietl, F. Piéchon, y G. Montambaux, New magnetic field dependence of Landau levels in a graphene-like structure. Physical Review Letters, 100(23), 236405. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.236405.