Los científicos observaron recientemente una partícula llamada semifermión de Dirac que se comporta de maneras completamente inesperadas. Dependiendo de la dirección en la que se mueva puede parecer que tiene masa o carece de ella. Este fenómeno, que parece casi fantástico, bien podría marcar el inicio de una nueva era en la comprensión de los materiales y las tecnologías del futuro.
¿Qué es un semifermión de Dirac?
En física, el digamos Son entidades colectivas que emergen en materiales sólidos. Aunque no son partículas fundamentales como los electrones, pueden comportarse de manera similar a las partículas reales, pero de manera diferente a las partículas individuales. Por ejemplo, en algunos materiales, los electrones pueden moverse como digamos y tienen propiedades sorprendentes.
Y semi-fermión de Dirac Es una partícula teórica que se predijo por primera vez hace varios años. Lo que hace que esta partícula sea tan única es su extraño comportamiento: dependiendo de la dirección en la que se mueve, puede tener masa o estar completamente desprovista de ella. En otras palabras, en una dirección determinada, puede comportarse como una partícula normal con una masa que limita su velocidad. Sin embargo, en otra dirección, podría moverse como si no tuviera masa e impulsarse a una velocidad cercana a la de la luz, muy parecido a un fotón, una partícula de luz.
Este comportamiento sorprendió a la comunidad científica. Los semifermiones de Dirac no sólo tienen interés teórico, sino también un inmenso potencial práctico. Podrían hacer posible crear materiales con nuevas propiedades con aplicaciones en campos tan diversos como la electrónica, la energía o incluso la medicina.
¿Cómo se relacionó el descubrimiento con esta partícula?
El descubrimiento de los semifermiones de Dirac no estaba previsto inicialmente. De hecho, los investigadores ni siquiera buscaban esta partícula específica cuando comenzaron sus experimentos. El equipo, liderado por Yin Ming Shaoprofesor asistente de física en Penn State, estaba estudiando un material semimetálico llamado ZrSiSconocido por sus propiedades únicas. En cambio, los investigadores observaron algo completamente inesperado.
El proceso utilizado para observar esta partícula se llama espectroscopía magnetoópticaun método muy avanzado que combina el uso de luz infrarroja y potentes campos magnéticos. Al exponer el cristal de ZrSiS A la luz infrarroja mientras lo mantenía en un intenso campo magnético, el equipo pudo analizar cómo reaccionaban los electrones dentro del material a la energía luminosa. Lo que observaron fue desconcertante: los niveles de energía de los electrones no seguían patrones clásicos, sino que parecían comportarse de manera anormal.
Esta anomalía se atribuyó a la presencia de fermiones semi-Dirac, cuyas propiedades eran exactamente los descritos en las teorías de los físicos hace varios años. A medida que se movían a través del material, los niveles de energía de los electrones no seguían los valores esperados. En lugar de moverse con una masa constante como los electrones clásicos, estos digamos Parecían perder masa dependiendo de la dirección en la que se movían.
Para comprobar este fenómeno, el equipo tuvo que realizar sus pruebas en condiciones extremas. El material ZrSiS se enfrió a una temperatura extremadamente baja, sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto, y se sumergió en un campo magnético extremadamente potente (un campo que es 900.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra). Estas condiciones extremas fueron necesarias para observar estos comportamientos cuánticos y confirmar que realmente existían semifermiones de Dirac en este material.
¿Por qué es importante este descubrimiento sobre esta partícula?
Si este descubrimiento resulta tan apasionante es porque podría tener aplicaciones en tecnologías de vanguardia. la capacidad de Semifermiones de Dirac comportarse de manera diferente según la dirección podría abrir el camino a materiales más eficientes y con mejor rendimiento en multitud de áreas. Por ejemplo, este fenómeno podría revolucionar baterias haciéndolos más eficientes o mejorando sensores utilizado en dispositivos de alta tecnología.
EL Semifermiones de Dirac comparten ciertas características con el grafenoun material que también tiene propiedades destacables y se utiliza en aplicaciones como pantallas táctilesEL supercondensadores y el células solares. Además, comprender cómo aprovechar las propiedades de los semifermiones de Dirac podría permitir diseñar nuevos materiales estratificados cuya estructura podría controlarse con extrema precisión, como ya ocurre con el grafeno.
El potencial de estas partículas va mucho más allá de la electrónica. EL digamos También podría encontrar aplicaciones en tecnologías relacionadas con medicamentocomo el diseño de dispositivos biomédicos ultrasensible. También podrían usarse en sistemas de almacenamiento de energía o incluso dispositivos que mejorarían el rendimiento de computadoras cuánticasuna tecnología aún en pleno desarrollo, pero prometedora.
Los misterios restantes y los próximos pasos.
Aunque se han observado semifermiones de Dirac, aún queda mucho por entender. Los científicos aún no saben todo sobre el comportamiento de estas partículas. Su apariencia plantea muchas preguntas, incluida cómo interactúan con otras partículas y cómo se pueden manipular sus propiedades para aplicaciones prácticas.
Los investigadores sólo han arañado la superficie de este extraño fenómeno y todavía tienen mucho trabajo por hacer para comprender el mecanismos fenómenos subyacentes que explican por qué ciertas direcciones permiten que estas cuasipartículas se muevan sin masa mientras que otras las hacen masivas. Esta investigación se encuentra aún en sus primeras etapas y los científicos esperan que futuros descubrimientos permitan aprovechar mejor este fenómeno para crear materiales nuevos y más eficientes.
En resumen, el descubrimiento de los semifermiones de Dirac es un ejemplo perfecto de cómo ciencia fundamental puede conducir a revoluciones tecnológicas. Aunque este fenómeno todavía es difícil de comprender plenamente, sus aplicaciones futuras podrían transformar muchos sectores.
