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Jun 11, 2023

Los físicos crean un nuevo estado exótico de la materia: un aislante bosónico correlacionado

Esta es la primera vez que se crea un cristal altamente ordenado de partículas bosónicas llamadas excitones en un sistema de materia real, en lugar de sintético. Xiong et al. observó un aislante correlacionado

Esta es la primera vez que se crea un cristal altamente ordenado de partículas bosónicas llamadas excitones en un sistema de materia real, en lugar de sintético.

Xiong et al. observaron un aislante correlacionado de excitones entre capas en una bicapa que constaba de diseleniuro de tungsteno, que albergaba agujeros, y disulfuro de tungsteno, que albergaba electrones. Crédito de la imagen: Xiong et al., doi: 10.1126/science.add5574.

Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos generales: fermiones y bosones. Una de las mayores distinciones está en su comportamiento.

Los bosones pueden ocupar el mismo nivel de energía; A los fermiones no les gusta permanecer juntos. Juntos, estos comportamientos construyen el Universo tal como lo conocemos.

Los fermiones, como los electrones, subyacen a 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, tienden a ser más difíciles de crear o manipular porque son fugaces o no interactúan entre sí.

"Una pista de sus distintos comportamientos está en sus diferentes características de la mecánica cuántica", dijo el primer autor Richen Xiong, estudiante de posgrado de la Universidad de California en Santa Bárbara.

"Los fermiones tienen espines medio enteros, como 1/2 o 3/2, etc., mientras que los bosones tienen espines enteros (1, 2, etc.)".

"Un excitón es un estado en el que un electrón cargado negativamente (fermión) está unido a su hueco opuesto cargado positivamente (otro fermión), con los dos espines semienteros juntos convirtiéndose en un número entero, creando una partícula bosónica".

Para crear e identificar excitones en su sistema, Xiong y sus colegas colocaron en capas las dos redes y las iluminaron con luces potentes 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 entorno favorable para la formación y las interacciones entre los excitones, al tiempo que permitieron a los investigadores sondear el comportamiento de estas partículas.

"Y cuando estos excitones alcanzaron una cierta densidad, no pudieron moverse más", dijo el autor principal, el Dr. Chenhao Jin, físico de la Universidad de California en Santa Bárbara.

Gracias a fuertes interacciones, el comportamiento colectivo de estas partículas a cierta densidad las forzó a entrar en un estado cristalino y creó 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", dijo Xiong.

Generalmente, 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 sólido simétrico y un aislante de carga neutra.

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

"Hay fases de muchos cuerpos con fermiones que dan como resultado cosas como la superconductividad", explicó Xiong.

"También hay homólogos de muchos cuerpos con bosones que también son fases exóticas".

"Así que lo que hemos hecho es crear una plataforma, porque realmente no teníamos una buena manera de estudiar bosones en materiales reales".

"Si bien los excitones están bien estudiados, hasta este proyecto no había habido una manera de convencerlos para que interactuaran fuertemente entre sí".

Con el método del equipo, sería posible no sólo 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 el Dr. Jin.

"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 sean más confiables".

El trabajo aparece en la revista Science.

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Richen Xiong et al. 2023. Aislador correlacionado de excitones en superredes muaré WSe2/WS2. Ciencias 380 (6647): 860-864; doi: 10.1126/ciencia.add5574