Finalmente se ha aislado un comportamiento esquivo de los electrones de la actividad electrónica más mundana en un material del mundo real.

Un equipo de físicos dirigido por Ryuhei Oka de la Universidad de Ehime midió lo que se conoce como electrones Dirac en un polímero superconductor llamado bis(etilenditio)-tetratiafulvaleno. Estos son electrones que existen en condiciones que efectivamente los hacen sin masa, lo que les permite comportarse más como fotones y oscilar a la velocidad de la luz.

Este descubrimiento, dicen los investigadores, permitirá una mejor comprensión de los materiales topológicos: materiales cuánticos que se comportan como aislantes electrónicos por dentro y conductores por fuera.

Los superconductores, semiconductores y materiales topológicos están ganando relevancia, principalmente por sus posibles aplicaciones en ordenadores cuánticos. Pero todavía no sabemos mucho sobre estos materiales y cómo se comportan.

Los electrones de Dirac se refieren a electrones antiguos y ordinarios que se encuentran en condiciones extraordinarias que requieren una dosis de relatividad especial para comprender los comportamientos cuánticos. Aquí, la superposición de átomos coloca algunos de sus electrones en un espacio extraño que les permite rebotar alrededor de materiales con una excelente eficiencia energética.

Formuladas a partir de las ecuaciones del físico teórico Paul Dirac hace casi un siglo, ahora sabemos que existen: han sido detectado en grafenoasí como otros materiales topológicos.

Sin embargo, para aprovechar el potencial de los electrones de Dirac, necesitamos comprenderlos mejor, y aquí es donde los físicos se topan con un obstáculo. Los electrones de Dirac coexisten con los electrones estándar, lo que significa que es muy difícil detectar y medir un tipo de forma inequívoca.

Oka y sus colegas encontraron una manera de hacer esto aprovechando una propiedad llamada resonancia de espín electrónico. Los electrones son partículas cargadas que giran; Esta distribución giratoria de carga significa que cada uno de ellos exhibe una dipolo magnético. Por lo tanto, cuando se aplica un campo magnético a un material, este puede interactuar con los espines de cualquier electrón desapareado, cambiando su estado de espín.

Esta técnica podría permitir a los físicos detectar y observar electrones desapareados. Y, como han descubierto Oka y otros investigadores, también se puede utilizar para observar directamente el comportamiento de los electrones de Dirac en el bis(etilenditio)-tetratiafulvaleno, distinguiéndolos de los electrones estándar como sistemas de espín diferentes.

El equipo descubrió que para comprenderlo completamente, el electrón de Dirac debe describirse en cuatro dimensiones. Existen las tres dimensiones espaciales estándar, los ejes x, y y z; y luego está el nivel de energía del electrón, que constituye una cuarta dimensión.

«Dado que las estructuras de bandas 3D no se pueden representar en un espacio de cuatro dimensiones», explican los investigadores en su artículo«El método de análisis propuesto aquí proporciona una forma general de presentar información importante y fácil de entender de dichas estructuras de bandas que no se puede obtener de ninguna otra manera».

Al analizar el electrón de Dirac en función de estas dimensiones, los investigadores pudieron descubrir algo que no sabíamos antes. La velocidad de su movimiento no es constante; más bien, depende de la temperatura y el ángulo del campo magnético en el material.

Esto significa que ahora tenemos otra pieza del rompecabezas que nos ayuda a comprender el comportamiento de los electrones de Dirac, una pieza que podría ayudar a aprovechar sus propiedades en tecnologías futuras.

La investigación del equipo fue publicada en Avances en materiales.