demonios
Los físicos han sospechado durante mucho tiempo que algunos trozos de metal podrían vibrar de una manera peculiar que sería casi invisible. Ahora los físicos han detectado estos «modos demoníacos».

Un artículo de Charlie Wood. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

En 1956, David Pines formuló un fantasma. Predijo la existencia de mares de ondas eléctricas que podrían neutralizarse entre sí, dejando todo el océano inmóvil incluso cuando las olas individuales fluían y refluían. La rareza, que llegó a ser conocida como el demonio de Pines, sería eléctricamente neutra y, por lo tanto, invisible a la luz: la definición de difícil de detectar.

A lo largo de décadas, los físicos lograron vislumbrar variantes de demonios. Pero el demonio original de Pines, que surgiría naturalmente a partir de electrones en bloques metálicos, pasó desapercibido.

Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, parece haber detectado el demonio de Pines. Después de perfeccionar una técnica para rastrear con precisión los electrones cuando rebotan en un material, el equipo produjo y detectó una serie de ondas periódicas que se propagan a través de enjambres de electrones. Estas ondas, que los físicos llaman «modos», coinciden en gran medida con los cálculos de Pines. Los investigadores detallaron sus hallazgos en Nature en agosto.

«Estos modos no se habían visto en 70 años», explica Piers Coleman, físico teórico de la Universidad Rutgers. Pero este nuevo experimento, de alguna manera, «recoge estos modos demoníacos».

Imagina demonios

La década de 1950 fue una época de auge para el estudio de los electrones en los metales. Los físicos ya habían desarrollado una teoría simplista que ignoraba la tendencia de los electrones a alejarse unos de otros, tratándolos colectivamente como si formaran una especie de gas que fluye libremente. En 1952, Pines y su director de tesis doctoral, David Bohm, dieron un paso más. Después de agregar las interacciones de los electrones a esta teoría del “gas de electrones”, descubrieron que los electrones podían agruparse en algunos lugares y dispersarse en otros. Estos electrones agrupados formaban ondas ordenadas de densidad mayor y menor alternadas (y, por lo tanto, regiones de carga eléctrica mayor y menor).

Luego, Pines llevaría más lejos aún más la nueva teoría. Imaginó un material que contenía dos gases, cada uno formado por un tipo diferente de partícula cargada. Específicamente, imaginó un metal con electrones «pesados» y electrones «ligeros». (Todos los electrones son idénticos en teoría, pero en el mundo real sus propiedades mensurables dependen de su entorno). Pines descubrió que las ondas del primer gas podían neutralizar las ondas del segundo; donde los electrones pesados se agrupaban, los electrones ligeros disminuían. Luego, a medida que los grupos de electrones pesados se dispersaban, los electrones más ligeros se reunían para llenar las zonas menos ocupadas. Debido a que un gas se espesaba precisamente donde el otro gas se diluía, la densidad electrónica total de ambos tipos juntos (y por lo tanto la carga y el campo eléctrico totales) permanecerían neutrales e invariables. «Las cosas pueden estar moviéndose incluso cuando parece que no lo están», explica Anshul Kogar, físico de materia condensada de la Universidad de California en Los Ángeles.

La luz se refleja sólo en objetos con una distribución desigual de carga eléctrica, por lo que la neutralidad de la vibración de Pines la hacía perfectamente invisible. La luz viene en paquetes de energía llamados fotones, y Pines bautizó los paquetes de energía de sus ondas como «demonios». El nombre era un guiño al experimento mental demoníaco de James Clerk Maxwell, un físico pionero que, se lamentó Pines, había vivido demasiado pronto como para que una partícula u onda llevara su nombre. «Sugiero que, en honor a Maxwell, y porque estamos tratando aquí con un caso de movimiento definido de electrones (o D.E.M. por sus siglas en inglés), llamemos a estas nuevas excitaciones ‘demonios'», escribió Pines en 1956.

A lo largo de las décadas, los físicos vieron ondas demoníacas en diversos materiales. En 1982, investigadores de los Laboratorios Bell detectaron ondas opuestas en láminas vecinas de arseniuro de galio. Y este año, un equipo dirigido por Feng Wang de la Universidad de California en Berkeley describió un experimento que capturó ondas casi invisibles de electrones latiendo en sincronía con ondas ligeramente más delgadas de objetos similares a partículas cargadas positivamente en una lámina de grafeno.

Pero estos avistamientos ocurrieron en gran medida en sistemas bidimensionales donde una característica demoníaca definitoria era menos llamativa. Debido a una peculiaridad en la dimensionalidad, en 2D puedes desencadenar una onda de carga con un esfuerzo tan pequeño como quieras. Pero en 3D, iniciar una onda requiere una cantidad mínima de energía para que los electrones asociales se agrupen. Los demonios eléctricamente neutros se ahorran esta tarifa de energía 3D. «Ver al demonio en un sólido tridimensional es un poco especial», comenta Kogar, quien realizó su investigación doctoral con el grupo Urbana-Champaign.

Aquí hay demonios

El equipo de Urbana-Champaign, dirigido por Peter Abbamonte, nunca fue a cazar demonios. El demonio de Pines vino directamente a su laboratorio.

En 2010, el grupo de Abbamonte comenzó a desarrollar una técnica para detectar pequeños temblores que se propagan a través de las hordas de electrones. Lanzaban electrones a un material y registraban con precisión la energía que transportaban y el camino que tomaban cuando rebotaban. Basándose en los detalles de esos rebotes el grupo pudo inferir cómo respondía el material a la colisión, lo que a su vez reveló las propiedades de las ondas creadas por la colisión. Era un poco como determinar si una bañera está llena de agua, miel o hielo arrojándole pelotas de pingpong.

Hace unos años, los investigadores decidieron poner en su punto de mira un metal superconductor llamado rutenato de estroncio. Su estructura es similar a la de una misteriosa clase de superconductores de “cuprato” a base de cobre, pero se puede fabricar de una manera más limpia. Si bien el equipo no aprendió los secretos de los cupratos, el material respondió de una manera que Ali Husain, quien había perfeccionado la técnica como parte de su doctorado, no entendía.

Husain descubrió que los electrones que rebotaban perdían su energía y su momento, lo que indicaba que estaban provocando ondas que drenaban energía en el rutenato de estroncio. Pero las ondas desafiaban sus expectativas: se movían 100 veces demasiado rápidas como para ser ondas sonoras (que se propagan a través de los núcleos atómicos) y 1.000 veces demasiado lentas como para ser ondas de carga propagándose por la superficie plana del metal. También tenían muy poca energía.

«Pensé que debía ser un artefacto», explica Husain. Entonces colocó otras muestras, probó otros voltajes e incluso hizo que diferentes personas tomaran las medidas.

Las vibraciones no identificadas seguían ahí. Después de hacer los cálculos, el grupo se dio cuenta de que las energías y los momentos de las ondas encajaban mucho con la teoría de Pines. El grupo sabía que en el rutenato de estroncio los electrones viajan de un átomo a otro utilizando uno de tres canales distintos. El equipo concluyó que en dos de estos canales, los electrones se sincronizaban para neutralizar el movimiento de los otros, desempeñando el papel de los electrones «pesados» y «ligeros» del análisis original de Pines. Habían encontrado un metal con la capacidad de albergar al demonio de Pines.

«Es estable en el rutenato de estroncio», afirma Abbamonte. «Siempre está ahí».

Las ondulaciones no coinciden perfectamente con los cálculos de Pines. Y Abbamonte y sus colegas no pueden garantizar que no estén viendo una vibración diferente y más complicada. Pero en general, dicen otros investigadores, el grupo presenta argumentos sólidos de que han atrapado al demonio de Pines.

«Han hecho todas las comprobaciones de buena fe que pueden hacer», comenta Sankar Das Sarma, un teórico de la materia condensada de la Universidad de Maryland que ha sido pionero en el estudio de las vibraciones demoníacas.

Demonios desatados

Ahora que los investigadores sospechan que el demonio existe en metales reales, algunos no pueden evitar preguntarse si los movimientos inmóviles tienen algún efecto en el mundo real. «No deberían ser raros y podrían hacer cosas», dice Abbamonte.

Por ejemplo, las ondas sonoras que se propagan a través de redes metálicas vinculan los electrones de una manera que conduce a la superconductividad, y en 1981, un grupo de físicos sugirió que las vibraciones demoníacas podrían conjurar la superconductividad de una manera similar. El grupo de Abbamonte eligió originalmente el rutenato de estroncio por su superconductividad poco ortodoxa. Quizás el demonio podría estar involucrado.

«En este momento se desconoce si el demonio juega un papel o no», explica Kogar, «pero es otra partícula en el juego». (Los físicos suelen considerar a las ondas con determinadas propiedades como partículas).

Pero la principal novedad de la investigación reside en detectar el tan esperado efecto metálico. Para los teóricos de la materia condensada, el hallazgo es una coda satisfactoria para una historia que comenzó hace 70 años.

«Es una posdata interesante de la historia temprana del gas de electrones», afirma Coleman.

Y para Husain, que terminó su carrera en 2020 y ahora trabaja en la empresa Quantinuum, la investigación sugiere que los metales y otros materiales están llenos de vibraciones extrañas que los físicos carecen de instrumentación para comprender.

“Simplemente están ahí sentadas”, dijo, “esperando a ser descubiertas”.

El artículo original, Invisible ‘Demon’ Discovered in Odd Superconductor, se publicó el 9 de octubre de 2023 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López