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Finalmente se ha aislado un comportamiento esquivo de los electrones de la actividad electrónica más mundana en un material del mundo real.

Un equipo de físicos dirigido por Ryuhei Oka de la Universidad de Ehime ha medido lo que se conoce como electrones Dirac en un polímero superconductor llamado bis(etilenditio)-tetratiafulvaleno. Estos son electrones que existen en condiciones que efectivamente los hacen sin masa, lo que les permite comportarse más como fotones y oscilar a la velocidad de la luz.

Este descubrimiento, dicen los investigadores, permitirá una mejor comprensión de los materiales topológicos: materiales cuánticos que se comportan como un aislante electrónico en el interior y un conductor en el exterior.

Los superconductores, los semiconductores y los materiales topológicos están ganando relevancia, sobre todo por sus posibles aplicaciones en computadoras cuánticas. Pero todavía hay muchas cosas que no sabemos sobre estos materiales y su comportamiento.

Los electrones de Dirac se refieren a electrones antiguos comunes que se encuentran en condiciones extraordinarias que requieren una dosis de relatividad especial para entender los comportamientos cuánticos. Aquí, la superposición de átomos coloca algunos de sus electrones en un espacio extraño que les permite saltar entre materiales con una excelente eficiencia energética.

Formuladas a partir de las ecuaciones del físico teórico Paul Dirac hace casi un siglo, ahora sabemos que existen: han sido detectado en grafenoasí como otros materiales topológicos.

Sin embargo, para aprovechar el potencial de los electrones de Dirac necesitamos comprenderlos mejor, y aquí es donde los físicos se topan con un problema. Los electrones de Dirac coexisten con los electrones estándar, lo que significa que detectar y medir un tipo es muy difícil de hacer sin ambigüedades.

Oka y sus colegas encontraron una manera de hacerlo aprovechando una propiedad llamada resonancia de espín electrónico. Los electrones son partículas cargadas que giran; Esta distribución giratoria de carga significa que cada uno exhibe una dipolo magnético. Entonces, cuando se aplica un campo magnético a un material, puede interactuar con los espines de cualquier electrón no apareado que contenga, alterando su estado de espín.

Esta técnica puede permitir a los físicos detectar y observar electrones desapareados. Y, como descubrieron Oka y los otros investigadores, también se puede utilizar para observar directamente el comportamiento de los electrones de Dirac en el bis(etilenditio)-tetratiafulvaleno, distinguiéndolos de los electrones estándar como sistemas de espín diferentes.

El equipo descubrió que, para comprenderlo completamente, es necesario describir el electrón de Dirac en cuatro dimensiones. Están las tres dimensiones espaciales estándar, los ejes x, y y z; y luego está el nivel de energía del electrón, que constituye una cuarta dimensión.

«Dado que las estructuras de bandas tridimensionales no se pueden representar en un espacio de cuatro dimensiones», los investigadores explican en su artículo«el método de análisis propuesto aquí proporciona una forma general de presentar información importante y fácil de entender de dichas estructuras de bandas que no se puede obtener de otra manera».

Al analizar el electrón de Dirac en función de estas dimensiones, los investigadores pudieron descubrir algo que no sabíamos antes. La velocidad de su movimiento no es constante; más bien, depende de la temperatura y el ángulo del campo magnético dentro del material.

Esto significa que ahora tenemos otra pieza del rompecabezas que nos ayuda a comprender el comportamiento de los electrones de Dirac, una pieza que puede ayudar a aprovechar sus propiedades en la tecnología futura.

La investigación del equipo ha sido publicada en Avances de materiales.