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Encuentran el fermión de Weyl en forma de cuasipartícula dentro de un material. El descubrimiento promete avances en electrónica.

En 1928 Paul Dirac conseguía enunciar una ecuación relativista con la que pretendía describir al electrón. El electrón es un fermión, esto es, una partícula con spin semientero, en concreto tiene spin 1/2. Los fermiones responden a la estadística de Fermi-Dirac y un agregado de ellos no puede ocupar un mismo estado cuántico. Los bosones, por el contrario, tienen spin entero y sí pueden ocupar el mismo estado.
Dirac no sólo consiguió describir el electrón con su ecuación, sino que además propuso el antielectrón (positrón) y, por tanto, la existencia de la antimateria. Su ecuación empezó a ser muy prolífica. En 1932 Carl Anderson descubrió el positrón.
La ecuación de Dirac tiene varias soluciones posibles, en 1937 Ettore Majorana descubrió una solución a esta ecuación que describía una partícula neutra que sería su propia antipartícula: el fermión de Majorana.
Aunque no hay pruebas de que este fermión exista como partícula elemental, sí que existe como cuasipartícula en forma de excitaciones colectivas en sistemas de materia condensada. Es lo que ha venido descubriéndose recientemente.
Pero mucho antes, en 1929, el matemático alemán Hermann Weyl encontró otra solución para partículas sin masa a la ecuación de Dirac: el fermión de Weyl. En un principio se pensó que los neutrinos pudieran ser fermiones de Weyl, pero al tener masa ya no lo pueden ser. No se han encontrado partículas elementales que puedan corresponderse con el de fermión de Weyl. Sin embargo, se han buscado cuasipartículas que sí pudieran corresponderse con estos fermiones.
Ahora, precisamente, un grupo de investigadores liderados por Zahid Hasan (Princeton University) ha conseguido encontrar cuasipartículas que se corresponden a fermiones de Weyl. Son excitaciones colectivas de electrones en el semimetal TaAs (arseniuro de tántalo).
Gracias a la espectroscopia por fotoemisión pudieron encontrar en 2014 pruebas del arco de Fermi y usando una técnica de rayos-X blandos penetrar bajo la superficie para encontrar que estos fermiones forman conos y nodos de Weyl en consonancia con las predicciones realizadas anteriormente en sus cálculos.
Estos hallazgos han sido encontrados de manera independiente por otros grupos de investigadores.
Para este descubrimiento los científicos lanzaron microondas sobre el cristal de TaAs según distintas orientaciones y variando la frecuencia de las microondas. Esto permitió alzar un mapa de la estructura de bandas fotónica del cristal, bandas que determinan qué frecuencias pasan o no por el cristal.
En dichas bandas se encontaron puntos de Weyl, que son indicativos de estados de fermiones de Weyl dentro del cristal.
La física del fermión de Weyl es tan extraña y con propiedades únicas que pueden dar lugar a nuevas aplicaciones, como circuitos electrónicos de alta velocidad o computadores cuánticos.
Así por ejemplo, estos fermiones se comportan como si fueran una composición de monopolo y antimonopolo magnético, lo que significa que las distintas cargas magnéticas pueden moverse de manera independiente dentro del material con un alto grado de movilidad.
Además, el fermión de Weyl puede usarse para crear electrones “sin masa” que se mueven muy rápido sin que se dispersen (sin scattering), al contrario de lo que le ocurre a los electrones normales, lo que genera pérdida de energía y disipación de calor. Esta electrónica rápida se puede conseguir con grafeno, pero el grafeno es un material 2D y este nuevo material es 3D, aspecto que es más práctico. Como las partículas de Weyl están protegidas topológicamente frente a la dispersión, significa que podrían usarse en computación cuántica.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Artículo original

Artículo en ArXiv.
Foto: Su-Yang Xu / M. Zahid Hasan / Princeton University.