Más pruebas de que el electrón se comporta como si estuviera compuesto por dos partículas

Los autores de los experimentos creen que estamos ante la primera prueba fehaciente de la separación espín-carga

Los resultados de unos experimentos recientes parecen apoyar una controvertida teoría según la cual el electrón está compuesto por dos partículas.

Los experimentos son obra del equipo de Nai Phuan Ong, de la Universidad de Princeton en Estados Unidos. Lo que se ha descubierto al realizarlos podría dar un vuelco al modo comúnmente aceptado de entender la conducta de los electrones en condiciones extremas en los materiales cuánticos. El hallazgo proporciona pruebas de que este conocido bloque de construcción de la materia se comporta como si estuviera hecho de dos partículas: una partícula que da al electrón su carga negativa y otra que le proporciona su espín, una propiedad que en cierto modo lo asemeja a un imán.

Los autores de los experimentos creen que estamos ante la primera prueba fehaciente de la separación espín-carga.

Los resultados de los experimentos cumplen una predicción hecha hace décadas para explicar uno de los estados más extraños de la materia, el líquido de espín cuántico. En todos los materiales, el espín de un electrón puede apuntar hacia arriba o hacia abajo, por así decirlo. En un imán, todos los espines apuntan uniformemente en una dirección en toda la muestra cuando la temperatura desciende por debajo de una temperatura crítica.

Sin embargo, en los materiales que son líquidos de espín cuántico, los espines son incapaces de establecer un patrón uniforme incluso cuando se enfrían hasta muy cerca del Cero Absoluto (273 grados centígrados bajo cero, la temperatura más fría que las leyes de la física permiten). En vez de eso, los espines cambian constantemente en una compleja coreografía estrechamente coordinada. El resultado es uno de los estados con mayor entrelazamiento cuántico de entre todos los conocidos o planteados desde el campo teórico, un estado de gran interés para los investigadores del cada vez más activo campo de la computación cuántica.

Los experimentos se han venido realizando sobre líquidos de espín cuántico, con la meta de averiguar si los electrones en ese régimen cuántico se comportan como si estuvieran formados por dos partículas. (Imagen artística: Catherine Zandonella, Princeton University)

Para describir matemáticamente este comportamiento, el físico Philip Anderson (1923-2020), de la Universidad de de Princeton, ganador de un premio Nobel y que predijo por primera vez la existencia de los líquidos de espín cuántico en 1973, propuso una explicación: en el régimen cuántico a un electrón se le puede considerar compuesto por dos partículas, una que lleva la carga negativa del electrón y otra que contiene su espín. Anderson denominó “espinón” a la partícula que contiene el espín.

En el nuevo estudio, el equipo buscó indicios del espinón en un líquido de espín cuántico compuesto por átomos de rutenio y cloro. A temperaturas que tan solo estaban una fracción de grado por encima del Cero Absoluto, y en presencia de un alto campo magnético, los cristales de cloruro de rutenio entran en el estado de líquido de espín cuántico.

Peter Czajka y Tong Gao, del equipo de investigación, conectaron tres termómetros muy sensibles al material exótico mantenido a casi el Cero Absoluto. A continuación, aplicaron el campo magnético y una pequeña cantidad de calor a un borde del cristal para medir su conductividad térmica, una cantidad que expresa lo bien que conduce una corriente de calor. Si los espinones estuvieran presentes, deberían aparecer como un patrón oscilante en un gráfico de la conductividad térmica frente al campo magnético.

En una serie de experimentos realizados a lo largo de casi tres años, Czajka y Gao ciertamente han venido detectando oscilaciones de temperatura que concuerdan con lo que cabe esperar de los espinones, proporcionando ello una prueba de que el electrón se comporta como si estuviera compuesto por dos partículas, tal como predijo Anderson.

El estudio, titulado "Oscillations of the thermal conductivity in the spin-liquid state of α-RuCl3", se ha publicado en la revista académica Nature Physics.

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