Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Uno de los grandes misterios del universo es la increíble eficacia de las matemáticas para describirlo. En 1929 Hermann Weyl proponía, basándose en consideraciones matemáticas, la existencia de un fermión, una de esas partículas que como el electrón tienen un spin fraccionario y son descritas por la estadística de Fermi-Dirac, que no tendría masa pero sí carga, con lo que se resolverían algunas cuestiones planteadas por la teoría de la relatividad. Y hasta ahora ahí había quedado la cosa, en una pirueta matemática.

De hecho, desde un punto de vista matemático los fermiones se pueden clasificar en tres tipos: los de Weyl (que no tienen masa), los de Dirac (los de toda la vida, con masa y una antipartícula asociada, como el electrón y el positrón) y los de Majorana (con masa y que son su propia antipartícula). La mayoría de los 24 fermiones del modelo estándar (6 quarks, 6 leptones y sus antipartículas) serían fermiones de Dirac, aunque aún no está del todo claro si los neutrinos son fermiones de Dirac o de Majorana. Pero lo fascinante es que los fermiones de Dirac pueden tratarse como combinaciones de fermiones de Weyl.

La noticia saltaba a los medios la semana pasada. Dos equipos internacionales afirmaban haber encontrado experimentalmente fermiones de Weyl. El descubrimiento no se ha hecho en un colisionador de hadrones ni en ningún otro tipo de acelerador de partículas, sino en un cristal sintético. Este descubrimiento podría ser el germen de una nueva electrónica y fotónica ultra-rápidas, habida cuenta de que los fermiones de Weyl, como decíamos, no tienen masa.

Teóricamente los fermiones de Weyl se pueden observar en un tipo de materiales llamados semimetales de Weyl, que cumplen con determinados criterios de conducción y simetría. El problema es que no se ha encontrado ningún semimetal de Weyl natural y sintetizar uno es extremadamente difícil ya que conseguir la estructura adecuada requiere un ajuste muy fino de la composición química a rangos muy cortos, prácticamente la colocación exacta en posición de cada átomo. Pero, a principio de este año, dos equipos de investigadores predijeron cada uno por su lado que el arseniuro de tántalo podría exhibir un comportamiento de semimetal de Weyl sin necesidad de mayores ajustes.

Estos dos mismos grupos, uno encabezado por B.Q. Lv del Instituto de Física de la Academia Nacional de Ciencias china y el otro por Su-Yang Xu de la Universidad de Princeton (EE.UU.), consiguieron fabricar un cristal de arseniuro de tántalo y observar que dentro de él los electrones se comportan como si no tuviesen masa y fuesen quirales, lo que constituye una prueba de la existencia de los fermiones de Weyl.

¿Por qué el descubrimiento de los fermiones de Weyl puede suponer una nueva electrónica? Porque los semimetales de Weyl son como el grafeno pero en tres dimensiones. Si se desarrollasen adecuadamente podrían tener todas las aplicaciones que se le suponen al grafeno con los beneficios mecánicos estructurales de trabajar en un volumen, en vez de en un plano. Intuitivamente lo podemos entender como la posibilidad de crear electrones sin masa y que no sufren retrodispersión, esto es, el rebote de los electrones en la dirección en la que vienen; la retrodispersión de los electrones normales reduce la eficiencia de la conducción eléctrica y, por tanto, de los dispositivos electrónicos.

Por si todo lo anterior fuese poco un tercer grupo, esta vez del MIT, anunciaba la observación de puntos de Weyl o, en otras palabras, fermiones de Weyl en un cristal fotónico, lo que implica que la posible revolución no solo es electrónica, también fotónica. Vivimos tiempos apasionantes.

Referencias:

[1] Su-Yang Xu et al (2015) Discovery of a Weyl Fermion semimetal and topological Fermi arcs Science DOI: 10.1126/science.aaa9297

[2] B.Q. Lv et al (2015) Discovery of Weyl semimetal TaAs arXiv: 1502.04684

[3] L. Lu et al (2015) Experimental observation of Weyl points Science DOI: 10.1126/science.aaa9273

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance