Una Partícula sin Masa que Podría Revolucionar la Electrónica

Por: Dr. Olivier Alirol, Físico de Resonance Science Foundation 

En 2015, tras 85 años de búsqueda, los investigadores confirmaron la existencia de una partícula sin masa llamada fermión de Weyl. Con la capacidad única de comportarse como materia y antimateria dentro de un cristal, esta cuasipartícula es como un electrón sin masa. La historia comenzó en 1928, cuando Dirac propuso una ecuación para la unificación fundacional de la mecánica cuántica y la relatividad especial al describir la naturaleza del electrón.  Esta nueva ecuación sugería tres formas distintas de partículas relativistas: los fermiones de Dirac, de Majorana y de Weyl. Y recientemente, se ha descubierto un análogo de los fermiones de Weyl en ciertos materiales electrónicos que presentan un fuerte acoplamiento orbital de espín y un comportamiento topológico. Al igual que los fermiones de Dirac surgen como firmas de los aislantes topológicos, en ciertos tipos de semimetales, los electrones pueden comportarse como fermiones de Weyl.

Estos fermiones de Weyl son lo que se puede llamar cuasipartículas, lo que significa que sólo pueden existir en un sólido como un cristal, y no como partículas independientes. Sin embargo, aunque las cuasipartículas parezcan complejas, su comportamiento es en realidad mucho más sencillo que el de las partículas fundamentales, ya que sus propiedades les permiten desprenderse de las mismas fuerzas que golpean a sus homólogas. Este descubrimiento de los fermiones de Weyl es enorme, no sólo porque por fin hay una prueba de que estas elusivas partículas existen, sino porque allana el camino para una electrónica mucho más eficiente y nuevos tipos de computación cuántica. Los fermiones de Weyl podrían utilizarse para resolver los atascos de los electrones en la electrónica.  De hecho, los electrones de Weyl pueden transportar cargas al menos 1.000 veces más rápido que los electrones de los semiconductores ordinarios, y dos veces más rápido que dentro del grafeno. Esto podría dar lugar a todo un nuevo tipo de electrónica llamada 'Weyltrónica'".

La disipación de energía es el principal obstáculo en la electrónica moderna, y la singular naturaleza no disipativa de las corrientes transportadas por los fermiones de Weyl bien podría ofrecer la solución.

Esto condujo al descubrimiento de los semimetales de Weyl. Se trata de semiconductores de cristal cuyas excitaciones de baja energía en la masa son fermiones de Weyl, mientras que sus superficies poseen estados superficiales de arco de Fermi metálicos. La primera medición experimental se realizó moviendo y rotando el cristal, al tiempo que se variaba la longitud de onda de las microondas emitidas hacia él. Al detectar qué bandas de microondas estaban "prohibidas" o "permitidas", se obtuvo un gráfico de frecuencia-longitud de onda que mostraba un punto de Weyl, la huella digital prevista de las partículas de Weyl.

Recientemente, estudiando los nodos de Weyl un equipo de la Universidad de Princeton, encontró un interesante fenómeno emergente. Observaron que una fase metálica protegida por los nodos de Weyl persiste a lo largo de un intervalo finito del parámetro de sintonía (por ejemplo, la presión). La brecha reaparece cuando los nodos de Weyl se aniquilan mutuamente. Utilizando la presión para sintonizar la brecha, han seguido la nucleación de una gota de la superficie de Fermi que crece rápidamente en volumen con la presión. Estos nuevos descubrimientos suponen un gran paso en la dirección de la aparición de una tecnología Weyltrónica viable.

Todo lo que tenemos, desde las bombillas hasta los coches y los computadores, se basa en la tecnología electrónica, en la que utilizamos electrones masivos y de movimiento lento. En la nueva tecnología Weyltrónica, utilizamos las novedosas características de los fermiones de Weyl sin masa, que conducen la electricidad de forma mucho más rápida y eficiente que los electrones normales. Dado que esta tecnología se encuentra todavía en una fase inicial, es difícil imaginar todos los posibles dispositivos que se pueden diseñar utilizando fermiones de Weyl. Sin embargo, algunas de las principales aplicaciones posibles de esta tecnología podrían ser interruptores ultrarrápidos, transistores de espín, dispositivos lógicos, sensores de campo eléctrico y magnético y computadores cuánticos.

Sobhit Singh, Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Virginia Occidental

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