El mecanismo de Higgs se observa en un material llamado aislante topológico

Un aislante topológico es un material exótico que conduce la electricidad por su superficie (por las mismas leyes físicas que en el grafeno), pero que es un aislante en su volumen interior. Por analogía física estos materiales permiten estudiar partículas de alta energía como los axiones, las partículas de Majorana y los fermiones de Dirac sin masa. T. Sato et al. han descubierto una transición de fase en estos materiales por la que los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa de forma espontánea gracias a un proceso muy similar al mecanismo de Higgs responsable de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil. Los fermiones de Dirac sin masa en la fase topológica del material, durante la transición a una fase no topológica, adquieren masa justo antes de desaparecer en dicha fase no topológica. Este resultado ha pillado por sopresa incluso a los propios autores del descubrimiento y ahora que está tan de moda la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN nos recuerda que muchas de las propiedades del mecanismo de Higgs se podrán estudiar gracias a analogías físicas como ésta. El artículo técnico es T. Sato et al., “Unexpected mass acquisition of Dirac fermions at the quantum phase transition of a topological insulator,” Nature Physics, online 14 August, 2011. Más información sobre aislantes topológicos en Geoff Brumfiel, “Topological insulators: Star material,” News Feature, Nature 466, 310-311, 15 July 2010, y Charles Kane, Joel Moore, “Topological insulators,” Physics World, Feb. 2011, 32-36. En este blog ya hablamos de estos materiales en “Dopar un aislante topológico con impurezas magnéticas rompe la simetría de inversión temporal y abre una nueva vía a la espintrónica,” que tienen el honor de ser el tema de una clase especial del Dr. Sheldon Cooper en la serie de televisión “Big Bang.”

Un aislante topológico es un material exótico que conduce electricidad por su superficie pero actúa como aislante en su volumen interior. La conducción de electrones en su superficie es similar a la observada en materiales planos como el grafeno (de un solo átomo de grosor) gracias al efecto Hall cuántico de espín, descubierto en 2004 por Charles Kane, físico teórico de la Universidad de Pensilvania, Filadelfia; Joel Moore, teórico de la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas predijeron que podrían existir materiales tridimensionales aislantes con estas propiedades y les llamaron “aislantes topológicos.” La clave de la conducción superficial de los electrones es el acoplamiento entre la dirección de su espín y su dirección de movimiento, que vienen unívocamente determinados; la relación energía-momento está en el “cono de Dirac” igual que en el grafeno.

En 2006, Shoucheng Zhang, Universidad de Stanford en Palo Alto, California, y su equipo predijeron que un cristal de mercurio y telurio podría ser un aislante topológico. Un año más tarde Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg, Alemania, y su grupo lograron demostrarlo. Estos materiales son muy caros y difíciles de fabricar. En 2008 se obtuvieron aislantes topológicos basados en el bismuto, mucho más baratos y fáciles de fabricar. Hoy en día decenas de grupos de investigación estudian estos materiales exóticos que prometen gran número de aplicaciones prácticas.

El movimiento colectivo de los electrones dentro de los aislantes topológicos tiene unas propiedadees especiales que les hace ser un material ideal para realizar analogías físicas de fenómenos cuánticos relativistas. Se han observado análogos de los axiones (partículas hipotéticas predichas en los 1970), monopolos magnéticos, partículas de Majorana (fermiones neutros, sin masa e idénticos a sus antipartículas) y partículas de Dirac sin masa. Estas analogías no solo sirven para experimentar en el laboratorio con fenómenos más allá del alcance de los experimentos de alta energía, sino que también tienen aplicaciones prácticas. Por ejemplo, las partículas de Majorana son útiles en la computación cuántica topológica ya que los estados cuánticos de estas partículas que implementan los cubits son muy resistentes a la decoherencia cuántica (el efecto del entorno que impide que los ordenadores cuánticos tengan muchos cubits).

Por ahora el nuevo descubrimiento no parece tener aplicaciones prácticas más allá de ayudar a los físicos fenomenológicos a entender el mecanismo de Higgs. Sin embargo, los autores mencionan posibles aplicaciones en computación cuántica.

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