Durante mucho tiempo, los físicos clasificaron todas las partículas elementales en dos cajones ordenados: bosones (portadores de fuerza como los fotones) y fermiones (constructores de materia como electrones, protones y neutrones). Era un sistema limpio, como un archivador con solo dos carpetas. Pero la naturaleza, resulta, es una acumuladora, y ha estado escondiendo una tercera categoría en dimensiones inferiores.

Desde la década de 1970, los científicos predijeron la existencia de anyones, partículas que no son ni bosones ni fermiones, sino algo intermedio. En 2020, los investigadores finalmente observaron a estos rompedores de reglas en el borde de semiconductores superenfriados, fuertemente magnetizados y de un átomo de grosor (bidimensionales). Ahora, científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y la Universidad de Oklahoma han llevado el concepto a un territorio aún más extraño: los sistemas unidimensionales.

En dos artículos publicados en Physical Review A, el equipo identificó un sistema 1D que puede albergar anyones y describió su comportamiento teórico. Avances recientes en el control de partículas individuales dentro de sistemas atómicos ultrafríos podrían hacer que estas ideas sean comprobables en experimentos de laboratorio reales, no solo en experimentos mentales que involucran pizarras y ceños fruncidos.

“Cada partícula en nuestro universo parece encajar estrictamente en dos categorías: bosónica o fermiónica. ¿Por qué no hay otras?”, pregunta el profesor Thomas Busch de la Unidad de Sistemas Cuánticos del OIST. “Con estos trabajos, ahora hemos abierto la puerta para mejorar nuestra comprensión de las propiedades fundamentales del mundo cuántico, y es muy emocionante ver hacia dónde nos llevan la física teórica y experimental desde aquí”.

La distinción entre bosones y fermiones proviene de lo que sucede cuando dos partículas idénticas intercambian lugares. En tres dimensiones, los experimentos muestran solo dos resultados: o el sistema permanece igual (bosones) o cambia de signo (fermiones). No hay otras opciones. Este comportamiento está ligado al principio más exasperante de la física cuántica: la indistinguibilidad. A diferencia de las canicas, que se pueden pintar de diferentes colores para llevar la cuenta, las partículas cuánticas idénticas como los electrones no pueden etiquetarse individualmente si todas sus propiedades cuánticas coinciden. Intercambiarlas produce un estado que es físicamente indistinguible del original.

Raúl Hidalgo-Sacoto, estudiante de doctorado en la unidad del OIST, explica: “Debido a que este intercambio es equivalente a no hacer nada, la estadística matemática que rige el evento, conocida como factor de intercambio, debe obedecer una regla simple: el cuadrado del factor de intercambio debe ser igual a 1. Los únicos dos números que satisfacen esta regla son +1 y -1. Por eso todas las partículas deben ser, respectivamente, bosones, para los cuales el factor es 1, o fermiones, para los cuales el factor es -1”.

Estas dos familias se comportan de manera muy diferente. Los bosones naturalmente se agrupan y actúan colectivamente; los láseres, donde los fotones de la misma longitud de onda se mueven sincronizados, son un ejemplo clásico, al igual que los condensados de Bose-Einstein. Los fermiones se resisten a compartir el mismo estado, lo cual es una razón por la que la tabla periódica tiene tantos elementos. (Gracias, fermiones, por la variedad).

Entonces, ¿por qué las dimensiones inferiores pueden producir algo diferente? En sistemas de dimensiones inferiores, las partículas tienen menos caminos posibles cuando intercambian lugares. Sus trayectorias se entrelazan a través del espacio y el tiempo, y a diferencia de en tres dimensiones, esos caminos no pueden simplemente desenredarse después. Como resultado, el estado intercambiado ya no es equivalente al original.

Hidalgo-Sacoto continúa: “En dimensiones inferiores, este intercambio ya no es topológicamente equivalente a no hacer nada. Para satisfacer la ley de indistinguibilidad, necesitamos factores de intercambio en un rango continuo para dar cuenta del intercambio, dependiendo de los giros y vueltas exactos de los caminos”. Eso abre la puerta a los anyones, cuyos factores de intercambio pueden tomar valores más allá de solo +1 o -1. No son puramente bosones ni puramente fermiones; son inconformistas cuánticos.

En los estudios recién publicados, los investigadores demostraron que la división bosón-fermión permanece rota incluso en una dimensión.