Hace tiempo que los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, vienen demostrando que hacer chocar objetos a energías elevadas constituye una buena estrategia para revelar la estructura íntima de la materia. Ahora, un equipo de científicos de EE.UU. y Alemania ha empleado el mismo principio en el interior de un cristal semiconductor. Sin embargo, en lugar de hacer colisionar partículas ordinarias, como protones o electrones, los investigadores han hecho lo propio con cuasipartículas, los estados colectivos que describen las excitaciones de un sólido. La técnica debería ayudar a desentrañar las propiedades y las interacciones de las cuasipartículas, entidades fundamentales para entender numerosos procesos en física de materiales, como la emisión de luz o la superconductividad.

Las cuasipartículas son una manera de modelizar las interacciones colectivas que tienen lugar entre las numerosas partículas que componen un material. Una cuasipartícula electrónica, por ejemplo, describe un electrón avanzando por el material junto con las excitaciones que su movimiento imprime en los átomos y núcleos cercanos. Desde un punto de vista matemático, ese comportamiento puede modelizarse en términos de una sola partícula dotada de una masa, carga y energía determinadas. Mackillo Kira, investigador de la Universidad de Marburgo y uno de los autores del trabajo, explica que para un físico resulta intuitivo pensar en términos de cuasipartículas, del mismo modo que es más sencillo pensar en una burbuja que avanza por el agua como en un único objeto, en lugar de intentar describir todas y cada una de las moléculas que toman parte en el fenómeno. Los resultados de la investigación aparecieron publicados la semana pasada en la revista Nature.

El colisionador de cuasipartículas se basa en el mismo principio que el LHC: hace chocar objetos y estudia los productos que resultan de la colisión, para después obtener información sobre su estructura e interacciones. Sin embargo, el montaje experimental es muy distinto. En el LHC se hacen circular protones en el vacío por un anillo de 27 kilómetros de longitud y se aceleran hasta que alcanzan velocidades muy próximas a la de la luz. Las colisiones que llevan a cabo Kira y sus colaboradores, en cambio, tienen lugar en una minúscula muestra de semiconductor y ocurren a energías mil billones de veces menores que las del LHC. En concreto, los investigadores han empleado pulsos electromagnéticos de varios terahercios para hacer colisionar cuasipartículas electrónicas y «huecos», el espacio vacante que deja un electrón en un material cuando escapa de un átomo.

En el experimento, un pulso láser ultracorto de 100 femtosegundos (10–15 segundos) de duración se hace incidir sobre una muestra de diseleniuro de wolframio de 60 nanómetros de grosor. Al igual que la luz que incide sobre una placa fotovoltaica genera una corriente eléctrica, el láser arranca electrones de los átomos del material, lo que les permite moverse por el seno del semiconductor, dejando tras de sí huecos de carga positiva. En el diseleniuro de wolframio, los electrones y los huecos no avanzan de manera independiente, sino que forman ciertos estados ligados denominados "excitones", otro tipo de cuasipartícula.

Después, se aplica un intenso campo electromagnético oscilante que acelera el electrón y el hueco en sentidos opuestos, lo que disgrega el excitón, y, por último, se deja que el electrón y el hueco choquen de manera controlada. Al hacerlo, estas cuasipartículas de carga opuesta se desintegran y, en el proceso, emiten fotones, los cuales son analizados por los investigadores. Wang Yao, físico de la Universidad de Hong Kong, explica que tales colisiones revelan información sobre la estructura interna del excitón y sobre la intensidad del acoplamiento entre el electrón y el hueco, lo que podría resultar de utilidad para diseñar nuevos dispositivos emisores de luz y placas solares más eficientes.

Kira señala que, aplicada a otras cuasipartículas, la nueva técnica podría ayudar a entender varios misterios en física de materiales, como la superconductividad a altas temperaturas. Por ejemplo, debería ser posible hacer colisionar cuasipartículas de Bogoliubov (la mitad de un par de Cooper, los estados de electrones débilmente ligados responsables de la superconductividad) o «dropletones» (cuasipartículas formadas por tres o más pares electrón-hueco y cuyo comportamiento remeda el de un líquido). "Estamos convencidos de que nuestro nuevo colisionador podrá usarse con una amplia variedad de cuasipartículas y en sólidos muy diferentes", concluye el investigador.

Este artículo se reproduce con permiso y se publicó primero  el 12 de mayo de 2016. Su versión en español se publicó primero en Investigación y Ciencia.