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En una nueva investigación publicada en la revista especializada Materials Advances, los físicos detallan cómo pudieron examinar el comportamiento de un electrón que nunca antes se había aislado. Se trataba de los electrones de Dirac, que se encuentran en condiciones especiales.
Pero en el pasado, siempre han estado mezclados con otros tipos de electrones, lo que dificultaba su estudio. Ahora, al aislarlos por fin, los físicos han podido estudiar sus propiedades únicas: se vuelven efectivamente ingrávidos y pueden viajar a velocidades similares a las de los fotones, hasta la velocidad de la propia luz.
Todo lo que se necesitaba era 12.000 veces la presión barométrica media de la Tierra y un tipo especial de giro.
Aquí hay que definir algunos términos importantes. Los electrones de Dirac desempeñan un papel clave en un descubrimiento relativamente reciente llamado materiales topológicos. Se trata de compuestos que sólo conducen la electricidad en su superficie exterior: su interior sigue actuando como aislante. Es como una pelota de goma envuelta en cables eléctricos, con la diferencia de que todo el conjunto está hecho del mismo material. Como es comprensible, este descubrimiento ganó el Premio Nobel en 2016, explica el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE).
En la física de la materia sólida (que incluye el estudio de los conductores y los comportamientos cuánticos), los científicos analizan todas las formas en que las partículas inusuales se comportan en condiciones inusuales. La Tierra, en general, es bastante predecible en cuanto al funcionamiento de minerales y sustancias, pero esos patrones predecibles pueden volverse mucho más interesantes si jugamos lo suficiente con los parámetros. La radiación, por ejemplo, se produce de forma natural y se aceleró enormemente en laboratorios para construir centrales nucleares. Los fenómenos cuánticos, como la capacidad de las partículas de viajar casi instantáneamente a través de las distancias, también requieren especial atención en el laboratorio.
Pero no es fácil estudiar el comportamiento a escala cuántica. Para ello, los científicos crean condiciones como el frío y la presión extremos. Esto ralentiza enormemente incluso las partículas más escurridizas y cambia la naturaleza misma del comportamiento de los materiales sólidos. Las vías para los electrones crecen, se contraen, se multiplican, desaparecen... todo vale, dependiendo del material. En los materiales superconductores, los electrones viajan sin ninguna resistencia. En los materiales Dirac, según Science Alert, "La superposición de átomos coloca a algunos de sus electrones en un extraño espacio que les permite saltar por los materiales con una excelente eficiencia energética".
El problema es que, aunque los científicos llevan muchos años buscando y detectando la actividad de Dirac -el físico inglés Paul Dirac la describió por primera vez en 1928-, es muy difícil aislar y observar estos electrones de cerca en lugar de en una ruidosa imagen de grupo, además de ser ya de por sí difíciles de observar sólo por su carácter cuántico. Sin embargo, tras estudiar los trabajos existentes e investigar por su cuenta, científicos de las universidades de Ehime, Toho y Hokkaido (todas ellas en Japón) se dieron cuenta de que podían utilizar un material específico que resaltaba mejor los distintos espines de los electrones de Dirac.
Esto facilitó la selección de estos electrones para su posterior estudio mediante un proceso denominado resonancia de espín electrónico: los electrones no apareados se desprenden proverbialmente del material, como si se mantuvieran pelotas de playa en el aire sobre una lona ondulante. En la materia sólida, esto se hace mediante espectroscopia, que es el mismo campo que puede ayudar a los científicos a identificar estrellas y agujeros negros. Sólo los electrones libres que parecen pelotas de playa responden a la espectroscopia.
Sin embargo, encontrar por fin una forma de aislar los ilusorios electrones de Dirac no fue lo único que los científicos consiguieron descubrir en este estudio. Por un lado, fue inesperado que el polímero cristalino crítico para este experimento fuera tridimensional en lugar de una nanohoja de una sola capa de algo como el grafeno. Mirar a través de ti, como hacían los Beatles, es mucho más fácil cuando sólo tienes una partícula de grosor. Pero en su tamaño más amplio cumplía su propósito bastante bien.
Por otro lado, al mapear los electrones de Dirac de esta forma y hacerlos más uniformes en cuanto al espín observado, los investigadores pudieron realizar más observaciones sobre su comportamiento. Cuando la temperatura del material supera los 100 Kelvin, o unos fríos -280 Fahrenheit, las formas cónicas de Dirac se abren de verdad. Como el polímero no es tan fino, los conos son más definidos y se acercan más a las tres dimensiones que los científicos esperan para utilizar estos materiales en aplicaciones de la vida real.
Sólo el tiempo dirá cuáles serán esas aplicaciones.
Caroline Delbert is a writer, avid reader, and contributing editor at Pop Mech. She's also an enthusiast of just about everything. Her favorite topics include nuclear energy, cosmology, math of everyday things, and the philosophy of it all.
