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Un equipo de físicos de la Universidad de Brown, en Estados Unidos, publicó esta semana en la revista Nature el descubrimiento de una nueva clase de partículas subatómicas denominadas excitones fraccionarios. Estas cuasipartículas, que desafían las categorías tradicionales de la física, podrían abrir la puerta a avances significativos en tecnologías cuánticas y ordenadores más fiables y rápidos.
“Este hallazgo describe una clase completamente nueva de partículas que no tienen carga global y presentan propiedades cuánticas únicas”, declaró Jia Li, profesor asociado de física en Brown y autor principal del estudio. Según los investigadores, el descubrimiento no solo profundiza el entendimiento de los fenómenos cuánticos, sino que también podría revolucionar la manera en que se almacena y manipula información a nivel subatómico.
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¿Qué son los excitones fraccionarios y por qué son importantes?
Los excitones fraccionarios son una cuasipartícula que surge en sistemas bidimensionales bajo condiciones extremas, como temperaturas cercanas al cero absoluto y campos magnéticos ultraelevados. Estas partículas exhiben un comportamiento inusual que combina propiedades tanto de bosones como de fermiones, dos categorías fundamentales en el Modelo Estándar de la física de partículas.
A diferencia de los fermiones, que obedecen el principio de exclusión de Pauli, y los bosones, que pueden compartir el mismo estado cuántico, los excitones fraccionarios muestran tendencias híbridas. Este fenómeno los hace similares a los anyones, una cuasipartícula teórica que hasta ahora solo se había descrito en simulaciones.
Su importancia radica en que estos excitones podrían ayudar a explorar nuevas fases cuánticas de la materia, ampliando los horizontes del conocimiento en física cuántica y permitiendo avances en aplicaciones tecnológicas como la computación cuántica.
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¿Cómo se observó experimentalmente esta nueva clase de partículas?
Para detectar excitones fraccionarios, los científicos emplearon una estructura compuesta por dos capas de grafeno, un material bidimensional conocido por sus propiedades conductoras, separadas por un cristal de nitruro de boro hexagonal. Esta configuración permitió controlar con precisión el movimiento de las cargas eléctricas y crear excitones al combinar electrones con “huecos”, o la ausencia de estos.
El sistema se sometió a un campo magnético millones de veces más potente que el de la Tierra, logrando observar el efecto Hall cuántico fraccionario. Este fenómeno, caracterizado por saltos fraccionarios en la tensión lateral de un material, confirmó la existencia de excitones con carga fraccionaria y comportamientos inesperados. “Es la primera vez que se demuestra experimentalmente que este tipo de partículas existe”, explicó Naiyuan Zhang, estudiante de posgrado en Brown y coautor del estudio.
Avances en computación cuántica: ordenadores más veloces y eficientes
La naturaleza única de los excitones fraccionarios podría revolucionar la computación cuántica. Estas partículas tienen el potencial de mejorar la manera en que se almacena y manipula información cuántica, aumentando la eficiencia y estabilidad de los qubits, la unidad básica de información en los ordenadores cuánticos.
“Hemos desbloqueado una nueva dimensión para explorar y manipular estos fenómenos”, aseguró Jia Li. Los investigadores esperan que sus futuros experimentos revelen cómo controlar mejor las interacciones entre excitones fraccionarios, abriendo el camino hacia la creación de sistemas cuánticos más avanzados.