¿Se esconden los secretos del universo en un chip?

Publicado online el 16 de marzo 2010 | Nature | doi: 10.1038/news.2010.128

¿Se esconden los secretos del universo en un chip?

Un aislante topológico podría ayudar a demostrar la teoría cuántica de campos.
Geoff Brumfiel

[ Los aislantes topológicos podrían ser el próximo campo de pruebas para la física de partículas. M. Kulyk / Science Photo Library ]

Una clase desconocida de materiales podría utilizarse para simular una gran cantidad de curiosas partículas exóticas predichas por los físicos pero nunca vistas

Los resultados preliminares presentados el 14 de marzo, en la víspera de la reunión de la Sociedad Americana de Física en Portland, Oregon, sugieren que se ha creado un trozo suficientemente grande de un “aislante topológico” para probar algunas de las curiosas predicciones de la teoría cuántica de campos, una versión de la mecánica cuántica utilizada habitualmente en la física de partículas. La teoría predice la existencia de algunas partículas inusual, que si se reproducen en el material podrían ser útiles para futuras aplicaciones, como ordenadores cuánticos desencriptadores, o en espintrónica, electrónica basada en el espín de las partículas, así como sus cargas.

Actualmente Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg, en Alemania, afirma haber creado un aislante topológico de telururo de mercurio (HgTe) lo suficientemente grande como para probar la teoría.

Los aislantes topológicos son materiales que conducen los electrones en el exterior, pero actúan como aislantes en el interior. El origen de esta propiedad aparentemente prosaica se encuentra en la forma en que los electrones se mueven a través del material. Los electrones poseen un espín mecánico-cuántico que apunta o hacia “arriba” o hacia “abajo”. El espín es normalmente independiente del movimiento de los electrones, pero dentro de los aislantes topológicos, el espín de los electrones está estrechamente relacionado con su movimiento.

“Multiverso” en un chip
Esa relación entre el espín y el movimiento hace de los aislantes un buen medio para estudiar algunas formulaciones de la teoría cuántica de campos, afirmó Shoucheng Zhang, físico teórico de la Universidad de Stanford, California.

La teoría cuántica de campos ha sido extraordinariamente exitosa en la descripción del universo, pero algunas de sus predicciones han sido difíciles de verificar. Algunas de las formulaciones sugieren la existencia de los axiones, partículas con interacciones débiles propuestas para explicar la invisible “materia oscura”, que podría constituir casi una cuarta parte de la masa del universo. La teoría también permite la existencia de monopolos magnéticos, los puntos norte y sur individuales que nunca se han visto en la naturaleza.

“Vivimos en una clase de universo, pero dentro de estos sólidos se pueden crear estos curiosos universos”, declaró Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton, Nueva Jersey. “Es genial.”

Las partículas no serían las mismas que las predichas por la teoría cuántica de campos; por ejemplo, un estudio realizado por Zhang y sus colegas demuestran que los axiones podrían simularse como fluctuaciones magnéticas dentro de un aislante topológico1. Pero la analogía podría dirigir a los científicos hacia dónde buscar los equivalentes reales de la partícula en el universo. Hacer pasar luz polarizada a través del aislante podría mostrar signos reveladores de los axiones. Si los axiones realmente existen, entonces la misma firma también podría aparecer en la radiación cósmica de microondas, la radiación primordial dejada por el Big Bang.

Algunas de estas partículas propuestas también podrían tener usos prácticos. Una clase, conocida como fermiones de Majorana, que se ha predicho como muy estable, podría utilizarse en los ordenadores cuánticos para almacenar datos.

Cosas raras
El HgTe utilizado por Molenkamp es un aislante topológico bien conocido, pero hasta ahora el comportamiento del aislamiento topológico se ha podido ver únicamente en los filos de las esquirlas de material. En los resultados preliminares presentados antes de la reunión, Molenkamp probó que los electrones de la superficie de su muestra tridimensionalse comportaban como si estuvieran en un aislante topológico. “Se puede comprobar experimentalmente la teoría del campo cuántico”, afirmó.

Si el HgTe está a la altura de sus expectativas, Molenkamp aseguró que pronto podrá comenzar la búsqueda de las “cosas raras” que se ha predicho que residen en su interior.

Yazdani, que trabaja con una clase alternativa de materiales a base de bismuto, declaró que si Molenkamp ha logrado los resultados descritos, sería un importante paso adelante en este campo. Pero, añadió, “no he visto sus datos, así que no puedo decir si son muy convincentes.”

Zhang comentó que los resultados son muy interesantes. Sin embargo, reconoce que aunque los axiones y los monopolos pudieran existir en un aislante topológico, esto no significa que existan en el mundo real. “Eso no significa que los vayamos a ver en el universo –afirmó–. Pero al menos confirma que estas ecuaciones tienen sentido.”