Descubren un exótico cristal que muestra un nuevo estado de la materia

Un cristal integrado por cuasipartículas, con un misterioso ordenamiento interno que le confiere propiedades nunca vistas y lo transforma en un nuevo estado de la materia, podría derivar en importantes hallazgos tecnológicos y científicos. Por un lado, permitiría ampliar la comprensión sobre los bosones, las partículas elementales que son portadoras de las fuerzas de la naturaleza y, por otro, podría ayudar a los científicos a entender cómo se forma el Universo que nos rodea, al mostrar un ordenamiento de las partículas subatómicas (bosones) nunca antes visto.

Científicos de la Universidad de California en Santa Bárbara y la Universidad Estatal de Arizona, en Estados Unidos, junto a colegas del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón, descubrieron un nuevo material que, a la vez, conforma un nuevo estado de la materia. Los resultados se resumen en un nuevo estudio, publicado recientemente en la revista Science.

El hallazgo se concretó al comprobar cómo las cuasipartículas denominadas excitones, utilizadas para crear el material, alcanzaban una cierta densidad, impulsadas por fuertes interacciones y volviéndose incapaces de moverse. Esta inmovilidad condujo a un estado cristalino que actuaba como aislante: se trata de un material específico y un estado de la materia que no se había visto antes.

Ordenado y desalineado al mismo tiempo

El nuevo material es técnicamente un aislante correlacionado bosónico, integrado por una red formada por una capa de diseleniuro de tungsteno y otra capa de disulfuro de tungsteno, colocadas una encima de la otra pero no completamente alineadas. Esa ligera desalineación crea lo que se conoce como "patrón muaré", revelando algunas propiedades interesantes que no se observan en otros materiales. 

En física, un excitón es una cuasipartícula formada por un electrón y un hueco (la ausencia de otro electrón) que interaccionan intensamente. El excitón conforma a su vez una partículas bosónica, cuando sus dos partes con cargas energéticas opuestas se relacionan. Los bosones son partículas subatómicas que, junto a los fermiones, “construyen” la esencia de todo el Universo conocido. Sin embargo, son difíciles de detectar por su fugacidad y escasa interacción. 

“Hemos descubierto la serie de relaciones que llevaron a los bosones a un estado altamente ordenado”, indicó en una nota de prensa el investigador Richen Xiong, autor principal del nuevo estudio. Para ello, diseñaron un sistema con luz y mayor densidad e interacción a temperaturas relativamente más altas de lo habitual, logrando que las partículas bosónicas se organizaran como un aislador sólido de tipo cristalino, simétrico y de carga neutra.

Misterios sobre la conformación del Universo

La creación de este estado exótico de la materia demuestra que tanto la plataforma moiré como la técnica de espectroscopia de bomba-sonda empleada por los especialistas en esta investigación podrían convertirse en un medio importante para crear e investigar materiales bosónicos. Además de las aplicaciones tecnológicas relacionadas con estos materiales, los mismos podrían resolver varios enigmas relativos a cómo se forma todo el Universo conocido. 

Vale recordar que los bosones no solo “transportan” las fuerzas de la naturaleza, sino que son partículas elementales que, según diversas teorías, podrían estar relacionadas con la conformación de la materia oscura, ese gran misterio “invisible” integrado por partículas que no absorben, reflejan o emiten luz, pero que supera ampliamente a la materia tradicional en la distribución estructural que caracteriza al Universo.

Referencia

Correlated insulator of excitons in WSe2/WS2 moiré superlattices. Richen Xiong et al. Science (2023). DOI:https://doi.org/10.1126/science.add5574