Los físicos descubren un material exótico hecho de bosones

7 de junio de 2023

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por Sonia Fernández, Universidad de California - Santa Bárbara

Tome una celosía, una sección plana de una cuadrícula de celdas uniformes, como una pantalla de ventana o un panal, y coloque otra celosía similar encima. Pero en lugar de tratar de alinear los bordes o las celdas de ambas redes, dé un giro a la cuadrícula superior para que pueda ver partes de la inferior a través de ella. Este nuevo tercer patrón es un muaré, y es entre este tipo de disposición superpuesta de redes de diseleniuro de tungsteno y disulfuro de tungsteno donde los físicos de UC Santa Barbara encontraron algunos comportamientos materiales interesantes.

"Descubrimos un nuevo estado de la materia: un aislante bosónico correlacionado", dijo Richen Xiong, estudiante de posgrado investigador en el grupo del físico de materia condensada de la UCSB Chenhao Jin, y autor principal de un artículo que aparece 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 se crea un material de este tipo, un cristal altamente ordenado de partículas bosónicas llamadas excitones, en un "real". (a diferencia del sintético) sistema de materia.

"Convencionalmente, la gente ha dedicado la mayor parte de sus esfuerzos a comprender qué sucede cuando se juntan muchos fermiones", dijo Jin. "El objetivo principal de nuestro trabajo es que básicamente creamos un nuevo material a partir de bosones que interactúan".

Las partículas subatómicas vienen en uno de dos tipos amplios: fermiones y bosones. Una de las mayores distinciones 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, ya que 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, ya que son fugaces o no interactúan entre sí.

Una pista de sus distintos comportamientos está en sus diferentes características mecánicas cuánticas, explicó Xiong. Los fermiones tienen "espines" semienteros como 1/2 o 3/2, etcétera, mientras que los bosones tienen espines enteros (1, 2, etc.). Un excitón es un estado en el que un electrón cargado negativamente (un fermión) está unido a su "agujero" opuesto cargado positivamente (otro fermión), con los dos giros semienteros juntos convirtiéndose en un entero entero, creando una partícula bosónica.

Para crear e identificar excitones en su sistema, los investigadores colocaron las dos redes en capas y las iluminaron con luces fuertes en un método que llaman "espectroscopia de sonda de bomba". La combinación de partículas de cada una de las redes (electrones del disulfuro de tungsteno y los agujeros del diseleniuro de tungsteno) y la luz crearon un ambiente favorable para la formación e interacciones entre los excitones, 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 fuertes interacciones, los comportamientos colectivos de estas partículas a cierta densidad las obligaron a entrar en un estado cristalino y crearon un efecto aislante debido a su inmovilidad.

"Lo que sucedió aquí es que descubrimos la correlación que llevó a los bosones a un estado altamente ordenado", agregó Xiong. En general, una colección suelta de bosones bajo temperaturas ultrafrías formará un condensado, pero en este sistema, con luz y mayor densidad e interacción a temperaturas relativamente más altas, se organizaron en un aislador sólido simétrico y de carga neutra.

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

"Hay muchas fases de cuerpo con fermiones que resultan en cosas como la superconductividad", dijo Xiong. "También hay contrapartes de muchos cuerpos con bosones que también son fases exóticas. Entonces, lo que hemos hecho es crear una plataforma, porque realmente no teníamos una gran manera de estudiar los bosones en materiales reales". Si bien los excitones están bien estudiados, agregó, hasta este proyecto no había habido una forma de persuadirlos para que interactuaran fuertemente entre sí.

Con su método, según Jin, podría ser posible no solo estudiar partículas bosónicas conocidas como 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. "Y uno de los objetivos de la física de la materia condensada es comprender por qué tienen estas ricas propiedades y encontrar formas de hacer que estos comportamientos se manifiesten de manera más confiable".

Más información: Richen Xiong et al, Aislante correlacionado de excitones en WSe 2 /WS 2 moiré superlattices, Science (2023). DOI: 10.1126/ciencia.add5574

Información del diario:Ciencia

Proporcionado por la Universidad de California - Santa Bárbara