Electrones, sardinas y cuasipartículas

Hace unos días apareció publicado en la revista Nature un artículo científico que ha captado la atención de muchos medios de comunicación. Como suele ocurrir con estas interesantes noticias, varios blogs de divulgación se han hecho eco del asunto. Dada la falta de tiempo y las excelentes explicaciones que ya han aparecido en estos días no pensaba en referirme al respecto, sin embargo ante la aparición de varios titulares horriblemente redactados en medios locales me he tomado el tiempo de escribir brevemente de qué se trata. El artículo se refiere a la observación en el laboratorio de una cuasipartícula llamada orbitón. En los medios, sin embargo, se habla de la observación de los constituyentes del electrón o (incluso peor) hay titulares indicando que científicos han dividido el electrón dos partes. Primero es necesario señalar que esta noticia nada tiene que ver con física de partículas elementales; se trata de la importante disciplina de la física llamada física de la materia condensada a la que debemos la gran mayoría de los avances tecnológicos gracias al desarrollo de semiconductores, discos duros y una interminable lista de dispositivos electrónicos que nos han cambiado la vida en el último siglo.

Física cuántica, sardinas y cuasipartículas

Para comprender a qué se refiere la palabra cuasipartícula, es necesario recordar que a escalas muy pequeñas (átomos y moléculas) nuestras nociones cotidianas del mundo no pueden aplicarse directamente. A estas pequeñas escalas la mecánica clásica deja de ser válida y el comportamiento de partículas está regido por la física cuántica, esa rama de la física en la que las cosas parecen no tener sentido y los gatos se roban la película. Esta fascinante descripción de la naturaleza a pequeñas escalas nos es extraña porque no estamos acostumbrados a lidiar con ella en nuestras vidas macroscópicas. La física cuántica, además de ser uno de los términos más manoseados de la física por parte de gurús, sanadores y líderes espirituales que dicen basar sus pseudociencias en la física cuántica (aunque sus nociones nada tienen que ver con física cuántica, sólo usan el nombre para engañar a la gente aprovechándose de su ignorancia en el tema), nos dice que las partículas no son pequeñas pelotitas que se mueven en el espacio (como podríamos imaginar). Por ejemplo, un electrón no es una pequeña pelotita que gira en torno al núcleo, esa es sólo una visión pictórica que nos ayuda a visualizar la idea de un átomo. Por el contrario, en física cuántica todo es en términos de campos. Un campo es un algo que permea el universo, como el agua que llena una piscina. Lo que llamamos partícula es una excitación de ese campo. Hace unos meses hablábamos de esto cuando diferenciábamos el campo de Higgs del bosón de Higgs (ver post), lo mismo se aplica para todas las partículas. Volviendo a nuestro ejemplo, un electrón es sólo una fluctuación o excitación del campo electrónico que llena el universo. Esto es una partícula, estas excitaciones que tienen muchas propiedades que a los físicos les gusta medir. Resulta que bajo ciertas condiciones, varias partículas pueden en conjunto comportarse como si fuesen una gran partícula, suena confuso? Usemos una analogía, reemplacemos el electrón por algo más simple de visualizar: una sardina. La sardina será nuestra partícula. Supongamos que tenemos una colección de muchas sardinas las que en principio pueden moverse cada una por su cuenta. Ahora, todos hemos visto esas increíbles imágenes en los documentales del fondo marino en los cuales un banco de sardinas se mueven todas a la vez formando lo que parece ser un pez más grande, como se ve en este video. Sabemos que ese grupo de sardinas no es un animal de verdad, no es un constituyente de cada sardina ni tampoco es un nuevo tipo de pez, es sólo lo que vemos debido al comportamiento colectivo de las sardinas, sin embargo ese grupo se ve y se comporta como un gran pez ya que tiene una forma y se mueve en cierta dirección. Esto es lo que llamaríamos una “cuasisardina”. Lo mismo ocurre con los electrones, al moverse en grandes grupos bajo ciertas condiciones se puede observar un comportamiento colectivo que luce como si fuese una partícula, aunque no se trate de una partícula elemental nueva ni tampoco es un constituyente del electrón. Eso es una cuasipartícula.
Es importante enfatizar que: las cuasipartículas no son partículas elementales; las cuasipartículas no son constituyentes de partículas elementales como el electrón; electrón es una partícula elemental por lo que no tiene una estructura interna; las cuasipartículas sólo pueden existir en el material y en las condiciones que aparecen, por lo tanto no pueden existir fuera del material. Es por esto que no tiene sentido hablar de que se ha observado una componente del electrón o que el electrón ha sido dividido. Decir que el electrón ha sido dividido y que las cuasipartículas son sus componentes internas es tan errado como decir que se ha dividido una sardina en dos y que está compuesta por un grupo de sardinas! Por lo tanto, el electrón no ha sido dividido.

Espinones, holones y orbitones

En física de partículas elementales estamos acostumbrados a tratar al electrón como una partícula que se mueve libremente en el espacio, situación bastante alejada de realidad en experimentos. Los físicos de materia condensada son mas realistas y describen los electrones y sus interacciones con los átomos de un material. Además, manipulando diferentes materiales con diferentes geometrías, físicos de materia condensada pueden hacer que los electrones se muevan en un plano o en una línea, así reduciendo el número de dimensiones disponibles para el electrón (a dos en un plano y una en una línea). En la década de 1980, físicos teorizaron que si electrones se movieran en una cadena de átomos (es decir los electrones se mueven sólo en una dimensión, a lo largo de esta cadena) entonces tres diferentes cuasipartículas podrían ser observadas. Dichas cuasipartículas, que como ahora sabemos no son partículas elementales sino que comportamientos colectivos de los electrones, podrían moverse de manera independiente y cada una portaría diferentes propiedades de los electrones. Una de ellas se llama espinón y portaría el espín (esa propiedad interna que se puede visualizar como electrón rotando sobre su eje); otra se llama holón que portaría la carga eléctrica; y la tercera se llama orbitón, que portaría las propiedades del electrón que se refieren a su lugar en torno al núcleo atómico. Durante la segunda mitad de la década de 1990, las dos primeras cuasipartículas fueron observadas. Como indicaba al principio de este artículo, Nature ahora nos cuenta que un grupo de físicos europeos usando una poderosa fuente de raxos X llamada Swiss Light Source en el Paul Scherrer Institute (Suiza) ha observado las cuasipartículas llamadas orbitones. Esto es un gran avance ya que nos muestra el tremendo dominio que los científicos tienen sobre las propiedades de ciertos materiales. Es bastante pronto para cuestionarse qué aplicaciones puedan llegar a tener estas cuasipartículas, pero probablemente la industria de la microelectrónica y los físicos de materia condensada nos sorprenderán con nuevos dispositivos que harán de la física cuántica parte de nuestras vidas una vez más.

Por último quería mencionar que las cuasipartículas son bastante comunes en física, existen muchas otras con nombres simpáticos como plasmones, rotones, excitones, magnones, polarones… lo que me recuerda largas discusiones con un amigo en mi primer año de la carrera, cuando acordamos que si alguno de nosotros alguna vez descubría una partícula o cuasipartícula la llamaríamos croutón. Personalmente suelo usar nombres de partículas y cuasipartículas como saludo de buenas noches en Twitter.

Para los interesados en más detalles les recomiendo los excelentes y completos artículos al respecto de Francisco Villatoro, Cuentos Cuánticos y Ciencia Kanija.

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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16 respuestas a Electrones, sardinas y cuasipartículas

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  2. Genial simil el del pez de peces como excitación colectiva…

    • Jorge Diaz dijo:

      alguien me preguntó qué era (en palabras simples) una cuasipartícula y se me vino la idea de las sardinas moviéndose como un gran pez. Así se lo expliqué y decidí escribir este post.

  3. Wilfred Rocco dijo:

    Excelente y clarificador artículo.

  4. g2-18a30ce6d84de6ce5c11ce006d10f616 dijo:

    Esa cuasisardina se podría llamar sardinón, que es un nombre apropiado para una sardina grande.

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  6. Emmanuel dijo:

    excelente explicación de las cuasipartículas

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