Un equipo de físicos ha observado un comportamiento cuántico inesperado en un aislante hecho de ditelurida de tungsteno. Este fenómeno conocido como oscilación cuántica, se observa típicamente en metales en lugar de aislantes, por lo que su descubrimiento ofrece nuevos conocimientos sobre nuestra comprensión del mundo cuántico.
“Si nuestras interpretaciones son correctas, estamos viendo una forma fundamentalmente nueva de materia cuántica”, dijo el físico Sanfeng Wu. “Ahora estamos imaginando un mundo cuántico completamente nuevo escondido en los aislantes”.
Los hallazgos, publicados en Nature, llaman la atención porque apuntan a la existencia de un tipo completamente nuevo de partícula cuántica.
Oscilación cuántica
Los fenómenos de oscilación cuántica se han considerado durante mucho una característica exclusiva de los metales. En estos materiales, los electrones tienen alta movilidad y baja resistencia a la conducción eléctrica.
Hace casi un siglo, los investigadores observaron que un campo magnético, junto con temperaturas muy bajas, puede hacer que los electrones cambien de un estado «clásico» a un estado cuántico, provocando oscilaciones en la resistividad del metal.
En los aislantes, por el contrario, los electrones no pueden moverse y los materiales tienen una resistividad muy alta. Esto hace que, sin importar la fuerza del campo magnético aplicado, no se espere ver oscilaciones cuánticas.
Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Princeton ha descubierto oscilaciones cuánticas en un aislante. Este descubrimiento desafía todo lo que sabíamos sobre este fenómeno porque en la teoría cuántica no se pensaba que los aislantes pudieran experimentarlo.
Ditelurida de tungsteno
El descubrimiento se produjo mientras los investigadores trabajaban en un material llamado ditelurida de tungsteno. Usaron cinta adhesiva para exfoliar la ditelurida de tungsteno en capas atómicas delgadas. La ditelurida de tungsteno espesa actúa como un metal, pero una vez convertido en una capa delgada, se convierte en un aislante muy fuerte.
Los investigadores midieron la resistividad de la fina capa de ditelurida de tungsteno. Sin embargo, aunque la resistencia del aislante aumentó considerablemente debido a un aumento en el campo magnético, comenzó a oscilar mientras cambiaba al estado cuántico.
«Esto fue una completa sorpresa», dijo Wu. «Nos preguntamos, ‘¿Qué está pasando aquí?’ Todavía no lo entendemos completamente».
Sin embargo, el equipo presentó algunas posibles explicaciones sobre por qué este fenómeno ocurre en los aislantes. «Debido a interacciones muy fuertes, los electrones se están organizando para producir este nuevo tipo de materia cuántica», dijo Wu.
Pero en última instancia, ya no son los electrones los que oscilan, agregó Wu. En cambio, los investigadores creen que nuevas partículas, llamadas “fermiones neutros”, se generaron a partir de estos electrones que interactúan fuertemente. Los fermiones neutros serían los responsables de crear este efecto cuántico tan notable.
«Nuestros resultados experimentales entran en conflicto con todas las teorías existentes basadas en fermiones cargados», dijo Pengjie Wang, coautor principal del artículo, «pero podrían explicarse en presencia de fermiones de carga neutra».
El equipo planea seguir investigando sobre las propiedades cuánticas de la ditelurida de tungsteno. Están particularmente interesados en descubrir si su hipótesis, sobre la existencia de una nueva partícula cuántica, es válida.
«Este es sólo el punto de partida», dijo Wu. «Si estamos en lo cierto, los futuros investigadores encontrarán otros aislantes con esta sorprendente propiedad cuántica».