La ruptura de la simetría temporal produce moléculas capaces de codificar información

Se trata de un resultado teórico obtenido en el marco de un estudio a cargo de científicos brasileños con el apoyo de la FAPESP, y podrá aplicárselo en el desarrollo de la computación cuántica. Este trabajo salió publicado en Scientific Reports

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – En el marco de un estudio publicado en la revista Scientific Reports, un grupo de científicos brasileños que trabajan en la Universidade Estadual Paulista (Unesp) describió un resultado teórico importante que podrá contribuir al desarrollo de la computación cuántica y de la espintrónica, la tecnología basada en los espines, los momentos angulares de los electrones.

El referido estudio tuvo el apoyo de la FAPESP, se llevó a cabo bajo la coordinación de Antonio Carlos Seridonio, docente del Departamento de Física y Química de la Unesp (en su campus de Ilha Solteira, en el estado de São Paulo), y contó con la participación de sus alumnos de posgrado Yuri Marques, Willian Mizobata y Renan Oliveira.

Los investigadores observaron que en los sistemas denominados semimetales de Weyl, la ruptura de la simetría temporal produce moléculas que poseen la capacidad de codificar información.

Estos sistemas constituyen una especie de versión tridimensional del grafeno y están asociados a un tipo sumamente peculiar de objetos: los fermiones de Weyl. Estos fermiones son partículas sin masa, cuasi relativistas y quirales. La expresión “cuasi relativistas” significa que se mueven en forma similar a los fotones (“las partículas” de la luz), de manera tal que entonces se hacen presentes los efectos de la relatividad (tales como la contracción del espacio y la dilatación del tiempo).

La palabra “quiral” se aplica a objetos que no pueden superponerse a sus imágenes en el espejo. Una esfera es aquiral, al tiempo que la mano derecha y la izquierda son quirales. En el caso de los fermiones de Weyl, la quiralidad hace que se comporten como monopolos magnéticos, a la inversa que todos los objetos magnéticos del mundo trivial, que se comportan como dipolos.

Los fermiones de Weyl fueron postulados en 1929 por el matemático, físico y filósofo alemán Hermann Weyl (1885-1955), como una solución posible de la ecuación de Dirac. En dicha ecuación, formulada por el físico teórico británico Paul Dirac (1902-1984), se combinan principios de la mecánica cuántica y de la relatividad especial y se describe el comportamiento de los electrones, los cuarks y otros objetos.

Los fermiones de Weyl son entes hipotéticos: nunca se los ha hallado libremente en la naturaleza. Con todo, estudios realizados en 2015 demostraron que ciertos fenómenos pueden explicarse con base en ellos.

Al igual que los fermiones de Majorana, que también constituyen soluciones de la ecuación de Dirac, los fermiones de Weyl se manifiestan como cuasi partículas en sistemas moleculares de materia condensada.

Este campo temático, en el cual convergen la Física de altas energías y la Física de la materia condensada, ha puesto en movimiento un enorme esfuerzo de investigación. Y no solo debido a la posibilidad que ofrece para el desarrollo de la ciencia básica, sino también porque las peculiaridades de esas cuasi partículas podrán emplearse eventualmente para codificar información en el ámbito de la computación cuántica.

El nuevo estudio, realizado en el Departamento de Física y Química de la Unesp, en Ilha Solteira, ha avanzado en ese sentido.

“Estudiamos teóricamente moléculas compuestas por átomos sumamente alejados. Estas moléculas no serían factibles fuera del contexto de Weyl, pues la distancia entre los átomos no permite que formen entre sí uniones covalentes, es decir, que compartan electrones. Nosotros demostramos que la quiralidad de la dispersión de electrones en los semimetales de Weyl lleva a la formación de uniones químicas magnéticas”, declaró Seridonio a Agência FAPESP. 

Ejemplos de semimetales de Weyl son el arseniuro de tántalo (TaAs), el arseniuro de niobio (NbAs) y el fosfuro de tántalo (TaP).

“En estos materiales, los fermiones de Weyl desempeñan un rol análogo al de los electrones en el grafeno. Pero mientras que el grafeno constituye un sistema cuasi bidimensional, estos materiales son plenamente tridimensionales”, dijo Seridonio.

El estudio teórico demostró que, en tales sistemas, los fermiones de Weyl aparecen como despliegues del fermión de Dirac, una categoría que abarca a todas las partículas materiales del llamado Modelo Estándar, con excepción quizá de los neutrinos.

Este despliegue ocurre en el punto en el cual la banda de conducción (el espacio en donde circulan los electrones libres) toca a la banda de valencia (la capa exterior de electrones de los átomos).

“Una ruptura de la simetría hace que este punto, el nudo de Dirac, se divida en un par de nudos de Weyl, con quiralidades opuestas. En nuestro estudio, lo que hicimos fue romper la simetría de reversión temporal”, dijo Seridonio.

La simetría de reversión temporal permite invertir el sentido del eje del tiempo. “Con la ruptura de la simetría, la molécula resultante pasa a exhibir orbitales espín-polarizados”, dijo.

En los sistemas moleculares usuales, tanto los electrones con espines hacia arriba como los electrones con espines hacia abajo mostraban una distribución igual en la nube electrónica. Pero esto no sucede en los sistemas de Weyl.

“El resultado de esto es una molécula cuyas nubes electrónicas con espines hacia arriba y hacia abajo son espacialmente distintas. Y esta peculiaridad se presta para la codificación de la información, dado que es posible asociar a la molécula el binario 0-1, que constituye el bit o unidad básica de información”, dijo Seridonio.

El artículo intitulado Chiral magnetic chemical bonds in molecular states of impurities in Weyl semimetals (doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-44842-8), de Y. Marques, W. N. Mizobata, R. S. Oliveira, M. de Souza, M. S. Figueira, I. A. Shelykh y A. C. Seridonio, se encuentra publicado en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-019-44842-8.