Científicos de la Universidad Northeastern, junto con colaboradores internacionales, han logrado una hazaña innovadora: 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 tiene potencial para avances en futuras tecnologías cuánticas como la memoria magnética.
Científicos de la Universidad Northeastern, junto con colaboradores internacionales, han logrado un avance significativo en el ámbito de la física, observando con éxito cuasipartículas axiónicas en un entorno de laboratorio por primera vez. Esta investigación innovadora, publicada en la revista *Nature*, marca un paso crucial hacia la comprensión de la materia oscura y la potencial revolución de las futuras tecnologías cuánticas.
El equipo de investigación, compuesto por científicos de más de una docena de organizaciones de cinco países, incluidos tres físicos de Northeastern—Arun Bansil, Kin Chung Fong y Barun Ghosh—se centró en crear las condiciones específicas necesarias para observar estas esquivas cuasipartículas. Según Bansil, este estudio proporciona un ejemplo convincente de la diversa gama de cuasipartículas que se encuentran en la materia cuántica, destacando el potencial de los materiales cuánticos para abordar preguntas científicas fundamentales e impulsar el desarrollo de tecnologías transformadoras.
El enfoque principal de la investigación es la búsqueda de la comprensión de la materia oscura, que representa la gran mayoría de la masa del universo. Como explica Fong, todo lo que podemos ver y observar—estrellas, planetas, galaxias—constituye solo alrededor del 5% de la materia total del universo. El 95% restante es un misterio, y se cree que la materia oscura es un componente significativo.
En 1978, los físicos Frank Wilczek y Steven Weinberg teorizaron independientemente la existencia de axiones, partículas elementales hipotéticas que podrían constituir la materia oscura. La búsqueda de estas partículas ha estado en curso durante décadas. Fong conceptualiza los axiones como una “gran ola” que permea el universo, que potencialmente juega un papel crucial en la unión de las galaxias al proporcionar una tracción gravitacional adicional, ya que la Vía Láctea gira más rápido de lo esperado.
Los investigadores se centraron en las “cuasipartículas axiónicas dinámicas”, excitaciones que imitan a los axiones y pueden existir bajo condiciones específicas en ciertos materiales. Estas cuasipartículas se encontraron 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 destaca la fascinante conexión entre la astrofísica a gran escala y la dinámica de espín a nanoescala de los electrones, sugiriendo que el estudio de estas cuasipartículas puede ofrecer información sobre el comportamiento de los axiones reales. Esta investigación también abre vías para aplicaciones como memorias magnéticas de alta velocidad para computadoras.
Los investigadores crearon con éxito las condiciones adecuadas para observar estas cuasipartículas axiónicas utilizando un material sintetizado en laboratorio llamado telururo de bismuto y manganeso (MnBi₂Te₄). Este material, un aislante topológico magnético, fue crucial para el experimento. El experimento, dirigido por el grupo de Su-Yang Xu en la Universidad de Harvard, utilizó óptica ultrarrápida para excitar y sondear las cuasipartículas axiónicas. Esta novedosa técnica permitió a los investigadores observar las cuasipartículas en acción.
La importancia de este descubrimiento radica en el comportamiento de las cuasipartículas, que refleja las partículas axiónicas predichas teóricamente. Esto proporciona una nueva vía para que los investigadores busquen axiones en el universo. Según Fong, la dinámica de las cuasipartículas sigue las mismas ecuaciones físicas que los axiones de materia oscura reales, lo que significa que estos últimos podrían excitar estas cuasipartículas en los materiales recién descubiertos.
El equipo de Northeastern jugó un papel crucial en la interpretación de los hallazgos experimentales. Ghosh, Bansil y sus colaboradores llevaron a cabo modelado y cálculos teóricos en profundidad. Fong y otros colegas trabajaron en cálculos para estimar la sensibilidad requerida para que un detector detecte un axión de materia oscura.
Más allá de sus implicaciones para la comprensión de la materia oscura, este descubrimiento también abre nuevas posibilidades 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.
Para capitalizar este descubrimiento, 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 en el futuro. Fong enfatiza la naturaleza colaborativa de esta investigación, que reúne a astrofísicos, físicos del estado sólido e ingenieros para desarrollar materiales que permitirán a los sensores cuánticos buscar materia oscura. Concluye destacando la conexión entre esta investigación y el desarrollo de tecnologías cuánticas que podrían revolucionar las computadoras y las comunicaciones, expresando su orgullo por el papel de Northeastern en esta frontera de los materiales y la detección cuántica.
Por primera vez, científicos han observado cuasipartículas axiónicas en un laboratorio, simulando el comportamiento de la materia oscura. Este avance, logrado con una técnica innovadora utilizando telururo de bismuto y manganeso, une la física teórica con la evidencia experimental, revolucionando potencialmente nuestra comprensión del universo y abriendo camino a tecnologías cuánticas avanzadas, como la memoria magnética de alta velocidad. El descubrimiento también abre una nueva vía para detectar axiones reales a través de la emisión de fotones, con investigadores de Northeastern liderando el desarrollo de los detectores necesarios, lo que demuestra la emocionante convergencia de la astrofísica, la ciencia de materiales y la ingeniería.
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