Investigadores israelíes confirman cuasipartículas con cargas de un tercio, un quinto y un cuarto de un electrón en sistemas cuánticos.
Confirmación de cuasipartículas con carga fraccionaria
Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias, liderados por el profesor Mordechai Heiblum, han identificado experimentalmente cuasipartículas con cargas eléctricas fraccionarias en sistemas de baja dimensionalidad. Este hallazgo, publicado en revistas científicas de alto impacto, confirma la existencia de partículas con cargas equivalentes a un tercio, un quinto y un cuarto de la carga de un electrón. Los experimentos se realizaron en sistemas bidimensionales de electrones, específicamente en estructuras semiconductoras diseñadas para observar el efecto Hall cuántico fraccionario. Estas cuasipartículas, conocidas como anyones, exhiben propiedades exóticas que desafían las reglas de la física clásica y son fundamentales para comprender estados cuánticos de la materia.
El trabajo de Heiblum y su equipo se centró en sistemas de electrones confinados en capas delgadas de arseniuro de galio, sometidos a campos magnéticos intensos y temperaturas cercanas al cero absoluto. En estas condiciones, los electrones forman estados colectivos que generan cuasipartículas con cargas fraccionarias. La detección se logró mediante técnicas de interferometría cuántica, que permiten medir las propiedades de estas partículas sin perturbar su estado. Los resultados, obtenidos tras años de experimentación, proporcionan evidencia directa de la teoría propuesta por Robert Laughlin en 1983, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1998 por explicar el efecto Hall cuántico fraccionario.
El experimento más reciente, realizado en 2023, confirmó la existencia de cuasipartículas con una carga de un cuarto de electrón, un avance significativo tras la detección inicial de cargas de un tercio y un quinto en la década de 1990. Este descubrimiento refuerza la comprensión de los estados topológicos de la materia, que tienen aplicaciones potenciales en la computación cuántica. Los anyones, debido a su capacidad para almacenar información cuántica de manera robusta, son candidatos prometedores para construir qubits más estables en computadoras cuánticas, un campo en el que Israel mantiene un liderazgo científico.
El Instituto Weizmann, ubicado en Rehovot, ha sido un centro clave para la investigación en física de materia condensada. El laboratorio de Heiblum utiliza equipos de nanofabricación de última generación para crear estructuras semiconductoras con precisiones de escala atómica. Estas estructuras permiten confinar electrones en regiones tan pequeñas que sus interacciones generan fenómenos cuánticos únicos. Los experimentos requieren un control extremo de las condiciones ambientales, incluyendo sistemas de refrigeración criogénica y blindaje contra interferencias electromagnéticas.
Claves de la detección de cuasipartículas fraccionarias
- Cargas fraccionarias: Las cuasipartículas exhiben cargas de 1/3, 1/5 y 1/4 de la carga de un electrón, un fenómeno exclusivo del efecto Hall cuántico fraccionario.
- Sistemas bidimensionales: Los experimentos se realizan en capas de arseniuro de galio bajo campos magnéticos intensos y temperaturas cercanas a 0 Kelvin.
- Interferometría cuántica: Técnica clave para medir las propiedades de los anyones sin alterar su estado cuántico.
- Aplicaciones: Los anyones son candidatos para qubits en computación cuántica debido a su estabilidad topológica.
- Instituto Weizmann: Centro líder en física de materia condensada, con laboratorios de nanofabricación avanzada.
Contexto experimental y avances históricos
La detección de cuasipartículas con carga fraccionaria se remonta a los primeros experimentos de Heiblum en la década de 1990, cuando su equipo demostró la existencia de partículas con carga de un tercio de electrón. Este trabajo, publicado en Nature, marcó un hito en la física de materia condensada. En 1997, los investigadores confirmaron cargas de un quinto de electrón, ampliando la evidencia de los estados predichos por la teoría de Laughlin. Los experimentos iniciales enfrentaron desafíos técnicos, como la necesidad de mantener temperaturas extremadamente bajas y fabricar dispositivos con precisiones nanométricas.
En los últimos años, los avances en tecnología de semiconductores han permitido experimentos más precisos. El descubrimiento de la carga de un cuarto de electrón, anunciado en 2023, requirió el desarrollo de nuevas técnicas de medición, incluyendo interferómetros cuánticos más sensibles. Estos dispositivos detectan las fases de las ondas asociadas a los anyones, confirmando su naturaleza no convencional. A diferencia de las partículas elementales, como electrones o protones, los anyones no existen de forma aislada, sino que emergen como excitaciones colectivas en sistemas de muchos electrones.
El efecto Hall cuántico fraccionario, base de estos descubrimientos, ocurre cuando un gas bidimensional de electrones, sometido a un campo magnético perpendicular, forma estados cuánticos con propiedades topológicas. Estas propiedades hacen que los estados sean resistentes a perturbaciones externas, una característica atractiva para aplicaciones tecnológicas. La investigación de Heiblum ha recibido financiación de la Fundación Israelí de Ciencias y colaboraciones internacionales, incluyendo instituciones como el MIT y la Universidad de Stanford.
Los experimentos también han abordado preguntas fundamentales sobre la estadística cuántica de los anyones. A diferencia de los fermiones y bosones, los anyones siguen una estadística fraccionaria, lo que significa que el intercambio de dos anyones altera el estado del sistema de manera no trivial. Esta propiedad, conocida como intercambio de braiding, es crucial para su potencial uso en computación cuántica topológica, un enfoque que promete mayor resistencia al ruido cuántico.
Impacto en la física cuántica y tecnología
El trabajo del equipo de Heiblum ha consolidado al Instituto Weizmann como un referente en la investigación de estados exóticos de la materia. Los resultados han sido validados por experimentos independientes en instituciones como la Universidad de Princeton, donde se han replicado las mediciones de cargas fraccionarias. La comunidad científica reconoce que estos avances abren nuevas líneas de investigación en física teórica y experimental, especialmente en la búsqueda de materiales con propiedades topológicas avanzadas.
En el ámbito tecnológico, los anyones ofrecen posibilidades para el desarrollo de computadoras cuánticas más robustas. Empresas como Microsoft han invertido en investigaciones sobre computación cuántica topológica, basándose en las propiedades de los anyones. Aunque la tecnología aún está en etapas iniciales, los experimentos del Instituto Weizmann proporcionan datos cruciales para diseñar sistemas que aprovechen estas partículas exóticas.
Israel ha fortalecido su posición en la vanguardia de la física cuántica gracias a instituciones como el Instituto Weizmann. El país invierte significativamente en investigación científica, con un presupuesto anual de más de 2.000 millones de dólares en ciencia y tecnología. Esta inversión ha permitido desarrollar infraestructura de punta, como los laboratorios de nanofabricación y criogenia utilizados en los experimentos de Heiblum.
El panorama general de la investigación en física de materia condensada muestra un campo en rápida evolución. Los descubrimientos sobre cuasipartículas fraccionarias complementan otros avances, como el estudio de materiales bidimensionales como el grafeno y los superconductores de alta temperatura. La colaboración internacional y el intercambio de conocimientos han sido esenciales para el progreso en este ámbito, con Israel desempeñando un papel central en la exploración de los límites de la mecánica cuántica.