Científicos de la Universidad Northeastern y colaboradores internacionales han logrado un avance al observar por primera vez en un laboratorio cuasipartículas axión. Este descubrimiento ofrece nuevas perspectivas sobre la materia oscura, una sustancia misteriosa que se cree constituye una parte significativa 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 la revista *Nature*, marca un paso significativo hacia la comprensión de la materia oscura y abre vías para futuras tecnologías cuánticas.
El equipo de investigación creó con éxito las condiciones necesarias para observar estas escurridizas cuasipartículas, que imitan el comportamiento de los axiones, partículas elementales hipotéticas que son componentes potenciales de la materia oscura. Este logro cierra la brecha entre la física teórica y la prueba experimental, ofreciendo una nueva perspectiva sobre la composición del universo y posibles aplicaciones en tecnologías avanzadas como la memoria magnética.
El estudio involucró un esfuerzo colaborativo que abarcó más de una docena de organizaciones en cinco países, con contribuciones clave de tres físicos de Northeastern: Arun Bansil, Kin Chung Fong y Barun Ghosh. Según Bansil, esta investigación es un ejemplo convincente de la rica variedad de cuasipartículas que se encuentran en la materia cuántica, destacando el potencial de los materiales cuánticos para abordar preguntas científicas fundamentales y desarrollar tecnologías transformadoras.
El universo, tal como lo entendemos actualmente, está compuesto en gran medida por materia y energía desconocidas. Todo lo que podemos observar, incluidas las estrellas, los planetas y las galaxias, constituye solo alrededor del 5% de la masa-energía total del universo. Se cree que el 95% restante consiste en materia oscura y energía oscura, y la materia oscura representa una porción significativa de la masa faltante.
En 1978, los físicos Frank Wilczek y Steven Weinberg propusieron independientemente la existencia de axiones, partículas elementales hipotéticas, como un componente potencial de la materia oscura. Durante décadas, los científicos han estado buscando estas partículas, que se teoriza que están distribuidas por todo el universo, y que podrían desempeñar un papel crucial en la estructura y estabilidad de las galaxias.
Fong explica que los axiones podrían verse como una “gran ola” en la que estamos nadando, y su presencia colectiva podría evitar que galaxias como nuestra Vía Láctea se desmoronen. La Vía Láctea gira más rápido de lo esperado, y la atracción gravitacional de la materia oscura podría ser la clave para mantenerla unida.
Más recientemente, los teóricos propusieron que las “cuasipartículas axiónicas dinámicas” 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. La oscilación coherente del magnetismo en estos materiales, gobernada por su simetría topológica, puede simular propiedades similares a los axiones.
Fong enfatiza la fascinante conexión entre la astrofísica a gran escala y la dinámica de espín a nanoescala de los electrones. Al estudiar estas cuasipartículas, los científicos pueden obtener información sobre el comportamiento de los axiones reales y explorar su potencial para aplicaciones como las memorias magnéticas de alta velocidad.
El equipo de investigación utilizó un material sintetizado en laboratorio llamado teluro de bismuto y manganeso (MnBi₂Te₄) para observar las cuasipartículas axiónicas. El manganeso convierte el teluro de bismuto en un aislante topológico magnético. El experimento, dirigido por el grupo de Su-Yang Xu en la Universidad de Harvard, empleó óptica ultrarrápida para capturar las cuasipartículas axiónicas dinámicas en acción.
La nueva técnica utiliza una bomba para excitar las cuasipartículas axiónicas y sondearlas estroboscópicamente, lo que permite la observación a velocidades que superan con creces las capacidades de la percepción humana. Este descubrimiento es significativo porque estas cuasipartículas se comportan como las partículas axiónicas predichas teóricamente, lo que podría ayudar a explicar la materia oscura y resolver problemas fundamentales en física.
Según Fong, “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 proporciona una nueva vía para buscar axiones en el universo. Ghosh, Bansil y sus colaboradores llevaron a cabo una modelización teórica y cálculos en profundidad para interpretar los hallazgos experimentales. Fong y otros colegas trabajaron en cálculos para estimar la sensibilidad necesaria para que un detector detecte un axión de materia oscura.
Además de servir como modelo para los axiones de materia oscura, este descubrimiento abre nuevas puertas 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, que es la emisión de energía electromagnética en paquetes discretos.
Para avanzar en esta investigación, el Departamento de Energía ha seleccionado la propuesta de Fong para construir un detector de un solo fotón. Este detector podría utilizarse en un telescopio diseñado para detectar axiones. Fong destaca la emocionante colaboración entre astrofísicos, físicos del estado sólido e ingenieros para desarrollar materiales para sensores cuánticos para buscar materia oscura. Esta investigación conecta la búsqueda de la comprensión del universo con el desarrollo de tecnologías cuánticas que podrían revolucionar las computadoras y las comunicaciones.
Científicos han observado por primera vez cuasipartículas axión en laboratorio, imitando propiedades de los axiones de materia oscura y ofreciendo una nueva vía de detección. Este avance, logrado mediante materiales y técnicas avanzadas, une la física teórica con la prueba experimental, potencialmente revolucionando nuestra comprensión del universo y abriendo camino a tecnologías cuánticas transformadoras como la memoria magnética de alta velocidad. El futuro depara emocionantes posibilidades para la investigación colaborativa y el desarrollo de sensores cuánticos para desentrañar los misterios de la materia oscura.
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