Descubren una nueva cuasi-partícula: el pi-ton

La cuasi partícula (llamada π-tonelada) está compuesta de dos electrones y dos agujeros.

pit-ton
Vienna University of Technology

Un equipo de científicos de la Universidad Tecnológica de Viena (Austria) ha observado una nueva cuasi partícula -excitaciones en un sistema formado por muchas partículas, que en muchos aspectos se comportan como una partícula- llamada π-tonelada (pi-ton) en simulaciones por ordenador. Esperan poder identificarla en el futuro.

En física, existen muchos tipos de partículas: las partículas elementales, que son los bloques de construcción fundamentales de la materia, los átomos, que consisten en varios constituyentes más pequeños y las"cuasi partículas": una perturbación en un medio que se comporta como una partícula y que convenientemente puede considerarse como una.

 

Un agujero es casi una partícula

En relación con la física de estado sólido y la física nuclear, las estudiamos porque juegan un papel muy importante en la determinación de las propiedades de la materia. "La cuasipartícula más simple es un agujero", explicó Karsten Held, investigador del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Viena y coautor del estudio que recoge la revista Physical Review Letters.

 

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¿Cómo la han descubierto?


No es nada fácil. "La línea divisoria entre partículas y cuasi partículas no es tan clara como se podría imaginar", dice Held. “Estrictamente hablando, incluso las partículas ordinarias únicamente pueden entenderse en el contexto de su entorno. Incluso en el vacío, las excitaciones de los agujeros de partículas ocurren constantemente, aunque por un breve espacio de tiempo. Sin ellas, la masa de un electrón, por ejemplo, sería completamente diferente”.


Los expertos explican en su trabajo cómo comenzaron a notar un patrón distinto en los agujeros observados dentro de las muestras. “Imaginemos, por ejemplo, que muchos átomos están dispuestos en un patrón regular en un cristal y que hay un electrón en movimiento en cada átomo. Si en un átomo en particular falta el electrón, es lo que llamamos un agujero”, aclaró Held. Los agujeros de electrones permiten que los electrones pasen a través de semiconductores, por ejemplo. Y habían encontrado algo totalmente diferente en sus cálculos: un tipo completamente nuevo de cuasipartícula.

 

¿Pi-ton?


"El nombre pi-ton proviene del hecho de que los dos electrones y los dos agujeros se mantienen unidos por fluctuaciones de densidad de carga o fluctuaciones de rotación que siempre invierten su carácter en 180 grados desde un punto de red del cristal al siguiente, es decir, en ángulo de pi, medido en radianes ”, aclaró Anna Kauch, coautora del estudio. Como si de un cambio de negro a blanco en un tablero de ajedrez se tratara. “El pi-ton se crea espontáneamente al absorber un fotón. Cuando desaparece, se vuelve a emitir un fotón".

A pesar de que estamos constantemente rodeados de innumerables cuasipartículas, el descubrimiento de un nuevo tipo de cuasi-partícula es algo realmente especial. Su hallazgo contribuye a una mejor comprensión del acoplamiento entre la luz y los sólidos, un campo que juega un papel clave no solo en la investigación básica sino también en muchas aplicaciones técnicas, desde la tecnología de semiconductores hasta la energía fotovoltaica.

 


Un mar de partículas


Docenas de partículas ya han sido identificadas, y unas 20 cuasi partículas y excitaciones colectivas: excitones, fonones (partículas derivadas de las vibraciones de los átomos en un sólido), plasmones (partículas derivadas de las oscilaciones del plasma), magnones (excitaciones colectivas de la estructura de giro de los electrones en una red cristalina) y polarones (electrones cubiertos por una nube de fonones).


El siguiente paso será identificar pi-ton in situ en lugar de en simulación por ordenador, algo que puede ser realmente difícil, porque observar y medir cualquier partícula subatómica es un asunto delicado y único para empezar, y las cuasi partículas son producto del contexto tanto como de su composición específica. Sin embargo, para el equipo de investigación, no hay duda acerca de la existencia de esta cuasi-partícula y de que será posible una versión observable muy pronto.

 

Referencia: A. Kauch et al. Generic Optical Excitations of Correlated Systems: π -tons, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.047401

Sarah Romero

Sarah Romero

Fagocito ciencia ficción en todas sus formas. Fan incondicional de Daneel Olivaw y, cuando puedo, terraformo el planeta rojo o cazo cylons. Hasta que viva en Marte puedes localizarme por aquí.

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