Físicos de la Universidad de Illinois han descubierto una nueva forma de materia llamada excitonio. Este condensado, compuesto de excitones, se teorizó por primera vez hace casi 50 años, y aunque se ha observado evidencia de esta forma de materia en ese momento, era difícil para los científicos estar seguros de lo que estaba sucediendo. Ahora, los investigadores de Illinois han encontrado lo que afirman es la primera prueba definitiva de que existe esta nueva forma de materia.
Las leyes de la física a nivel cuántico son muy diferentes a la escala macro, pero una forma de materia llamada condensado de Bose-Einstein cierra de alguna manera la brecha. Este estado se forma cuando las partículas o cuasipartículas se agrupan y comienzan a comportarse como una sola entidad, conocida como bosón.
Los excitones son un tipo de bosón formado en un semiconductor. Cuando un electrón en el borde de la banda de valencia de un semiconductor se excita, puede cruzar la separación entre bandas e ingresar en la banda de conducción, que está vacía. Cuando lo hace, deja un "agujero" en la banda de valencia, que a su vez se convierte en una cuasipartícula con carga positiva. El agujero con carga positiva y el electrón con carga negativa se atraen entre sí y juntos forman una especie de bosón conocido como excitón.
Al igual que otros bosones, durante mucho tiempo se creía que los excitones tenían un "estado fundamental", que se llamaba excitonio y, hasta ahora, esto era visto como algo teórico.
"Desde que el término 'excitonio' fue acuñado en la década de 1960 por el físico teórico de Harvard Bert Halperin, los físicos han tratado de demostrar su existencia", dijo Peter Abbamonte, investigador principal del nuevo estudio. "Los teóricos han debatido si sería un aislante, un conductor perfecto o un superfluido, con argumentos convincentes por todos lados. Desde la década de 1970, muchos experimentadores han publicado evidencia de la existencia del excitonio, pero sus hallazgos no fueron una prueba definitiva y podrían haberse explicado igualmente por una transición de fase estructural convencional".
El equipo hizo sus observaciones utilizando una nueva técnica llamada espectroscopía de pérdida de energía de electrones con resolución de impulso (M-EELS). Compuesto por una combinación de otros instrumentos, este sistema permitió a los investigadores medir con precisión las excitaciones colectivas de los excitones, independientemente de su impulso. Usando ese proceso, el equipo examinó cristales no dopados de un metal de transición denominado diselenida de dicalcogenuro de titanio (1T-TiSe2), enfriado a 190 Kelvin (-83° C, -118° F).
A medida que se acercaba a esa temperatura crítica, el material ingresaba en una fase de plasmón suave, que nunca antes se había visto en ningún material. Esta fase marca el precursor de la condensación de excitones, y los investigadores la denominan como el punto inicial para la existencia del excitonium.
"Recuerdo que Anshul (Kogar, coautor) estaba muy entusiasmado con los resultados de nuestras primeras mediciones en el TiSe2", dijo Mindy Rak, coautora del estudio. "Estábamos de pie frente a una pizarra en el laboratorio mientras él me explicaba que habíamos medido algo que nadie había visto antes: un plasmón blando. El trabajo que hicimos en el TiSe2 me permitió ver la promesa única que nuestra técnica M-EELS ofrece para avanzar en nuestro conocimiento de las propiedades físicas de los materiales y ha motivado mi investigación continua en el TiSe2 ".
Si bien es difícil proyectar cualquier posible aplicación tecnológica del excitonio, los investigadores dicen que el descubrimiento ayuda a arrojar más luz sobre el extraño mundo de la mecánica cuántica.
La investigación fue publicada en la revista Science.