Científicos de la Universidad Northeastern y colaboradores internacionales han logrado un avance al crear condiciones de laboratorio que les permitieron observar por primera vez cuasipartículas axión. Este descubrimiento ofrece nuevos conocimientos sobre la materia oscura, una sustancia misteriosa que se cree representa una parte significativa de la masa del universo, y también podría conducir a avances en futuras tecnologías cuánticas como la memoria magnética.
Científicos de la Universidad Northeastern, junto con colaboradores internacionales, han logrado una hazaña innovadora: la primera observación de cuasipartículas axiónicas en un entorno de laboratorio. Este descubrimiento, publicado en *Nature*, marca un paso significativo hacia la comprensión de la materia oscura y la potencial revolución de las futuras tecnologías cuánticas.
El equipo de investigación, que involucra a los físicos de Northeastern Arun Bansil, Kin Chung Fong y Barun Ghosh, creó con éxito las condiciones necesarias para observar estas esquivas cuasipartículas. Este logro cierra la brecha entre la física teórica y la prueba experimental, allanando el camino para una comprensión más profunda del universo y el desarrollo de tecnologías avanzadas como la memoria magnética. Bansil destaca la importancia, afirmando que este estudio “proporciona otro ejemplo emocionante del tapiz muy rico de cuasipartículas que alberga la materia cuántica”.
La búsqueda para comprender la materia oscura ha estado en curso durante décadas. Todo lo que podemos ver y observar en el cosmos, incluidas las estrellas, los planetas y las galaxias, constituye solo alrededor del 5% de la materia total del universo. El 95% restante es un misterio cósmico, y se cree que la materia oscura es un componente significativo. Fong enfatiza esto, afirmando que gran parte de la composición del universo sigue siendo un misterio, y se cree que la materia oscura representa la masa faltante.
En 1978, los físicos Frank Wilczek y Steven Weinberg teorizaron independientemente la existencia de axiones, partículas elementales hipotéticas que podrían constituir la materia oscura. Desde entonces, los científicos han estado buscando activamente estas partículas. Fong conceptualiza los axiones como una “gran ola en la que estamos nadando”, sugiriendo que su congregación podría ser crucial para evitar que galaxias como la Vía Láctea se desintegren.
La Vía Láctea gira más rápido de lo esperado, y se cree que la materia oscura proporciona el tirón gravitacional adicional necesario para mantener unida a la galaxia. Más recientemente, los teóricos propusieron que las “cuasipartículas axiónicas dinámicas”, que imitan el comportamiento de los axiones, podrían existir bajo condiciones específicas dentro de ciertos materiales en la Tierra. Estas cuasipartículas se encuentran en una nueva clase de materiales creados en laboratorio llamados aislantes topológicos antiferromagnéticos.
Estos materiales, creados en el laboratorio, permiten la simulación de propiedades similares a los axiones. La oscilación coherente del magnetismo en estos materiales, gobernada por su simetría topológica, simula propiedades similares a los axiones. Como explica Fong, “Es fascinante ver las conexiones entre la astrofísica a gran escala y la dinámica de espín a nanoescala de los electrones”. Estudiar estas cuasipartículas permite a los científicos obtener información sobre el comportamiento de los axiones verdaderos y explorar sus posibles aplicaciones, como las memorias magnéticas de alta velocidad.
El equipo de investigación, liderado por el grupo de Su-Yang Xu en la Universidad de Harvard, utilizó un material sintetizado en laboratorio llamado telururo de bismuto y manganeso (MnBi₂Te₄) para observar las cuasipartículas axiónicas. Este material es un aislante topológico magnético creado al convertir el telururo de bismuto, un semiconductor termoeléctrico, en un material magnético con la adición de manganeso.
El experimento utilizó óptica ultrarrápida para atrapar las cuasipartículas axiónicas dinámicas en acción. Esta novedosa técnica utiliza una bomba para excitar las cuasipartículas axiónicas y sondearlas estroboscópicamente, lo que permite observaciones a velocidades que superan con creces el parpadeo de un ojo. Este descubrimiento es significativo porque estas cuasipartículas se comportan como las partículas de axión predichas teóricamente, lo que podría explicar la materia oscura y resolver problemas fundamentales en física.
Fong profundiza en esta conexión, afirmando: “Debido a que su dinámica sigue las mismas ecuaciones de la física, la verdadera materia oscura puede excitar esas cuasipartículas en estos materiales recién descubiertos. Esto nos proporciona una nueva vía para buscar axiones en el universo”. Ghosh, Bansil y sus colaboradores contribuyeron con modelos teóricos y cálculos en profundidad para interpretar los hallazgos experimentales. Fong y sus colegas también trabajaron en cálculos para estimar la sensibilidad requerida para que un detector identifique un axión de materia oscura.
Más allá de sus implicaciones para la comprensión de la materia oscura, el descubrimiento abre nuevas vías para la búsqueda de axiones en el universo. Si los axiones reales interactúan con las cuasipartículas axiónicas, podrían hacer que las cuasipartículas emitan fotones detectables. Para avanzar en esta investigación, el Departamento de Energía ha seleccionado la propuesta de Fong para desarrollar un detector de un solo fotón, que podría utilizarse en un telescopio diseñado para detectar axiones.
Fong concluye enfatizando la naturaleza emocionante de esta investigación, afirmando: “Vivimos en una época emocionante de la ciencia. Los astrofísicos, los físicos del estado sólido y los ingenieros están colaborando estrechamente para desarrollar materiales que permitirían a los sensores cuánticos buscar materia oscura. Esta investigación conecta los esfuerzos humanos más profundos hacia la comprensión de nuestro universo, así como las tecnologías cuánticas que podrían revolucionar las computadoras y las comunicaciones. Estamos orgullosos de estar en esta frontera de los materiales cuánticos y la detección en Northeastern”.
Por primera vez, científicos han observado cuasi-partículas axión en un laboratorio, imitando las propiedades de los axiones de la materia oscura. Este hallazgo abre un nuevo camino para comprender la masa faltante del universo y desarrollar tecnologías cuánticas avanzadas, como memorias magnéticas de alta velocidad, demostrando el poder de la colaboración interdisciplinaria y vislumbrando un futuro donde la ciencia de materiales revela los secretos del cosmos.
Leave a Reply