Un estudio publicado en Nature Communications ha revelado que los electrones en el pentatelururo de circonio (ZrTe5) son básicamente los adolescentes rebeldes del mundo cuántico. Cuando se someten a temperaturas cercanas al cero absoluto y a campos magnéticos lo suficientemente potentes como para hacer llorar a los imanes de tu nevera, estas partículas mostraron oscilaciones cuánticas que desafían las expectativas convencionales.

La investigación, liderada por científicos de la Universidad de São Paulo (USP) en Brasil, el Laboratorio Nacional de Los Álamos, la Universidad de Washington y otras instituciones estadounidenses, combinó experimentos de transporte eléctrico en campos magnéticos de hasta 60 teslas a temperaturas de alrededor de 0,7 kelvin (-272,45 °C) con detallados cálculos teóricos. Porque, ya sabes, ¿por qué no llevar los límites de la física al extremo mientras estás en ello?

"Este trabajo amplía nuestra comprensión del transporte de electrones en fases exóticas de la materia y sugiere que los aislantes topológicos soportan el transporte no solo de carga eléctrica, sino también de otro grado de libertad fundamental: el espín del electrón", dice Julio Larrea Jiménez, profesor del Instituto de Física de la USP y cofundador/director del Laboratorio de Materia Cuántica en Condiciones Extremas.

Larrea fue el asesor de doctorado de Cauê Kaufmann Ribeiro, primer autor del estudio, quien realizó gran parte del trabajo experimental durante una pasantía en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Los Álamos, con el apoyo de una Beca de Investigación en el Extranjero de la FAPESP, y co-asesorado por Johanna Palmstrom y Sean Thomas.

Los aislantes topológicos son los bichos raros de la ciencia de materiales: sus interiores son aislantes eléctricos, pero sus superficies conducen electricidad. Esto se debe a la topología de sus bandas electrónicas, que están protegidas por simetrías cristalinas. El ZrTe5 es particularmente especial porque se encuentra cerca del límite entre diferentes fases topológicas, lo que significa que pequeños cambios en la temperatura, la deformación mecánica, la composición química o el campo magnético pueden alterar drásticamente su comportamiento electrónico. Es el equivalente cuántico de un artista temperamental.

Cuando los electrones se mueven a través de un campo magnético, sus energías se restringen a valores discretos llamados niveles de Landau, nombrados así por Lev Landau (1908-1968). En metales puros, estos niveles pueden cruzar repetidamente el nivel de Fermi, produciendo oscilaciones en la resistencia eléctrica conocidas como oscilaciones de Shubnikov-de Haas, que normalmente siguen un patrón predecible en 1/B (siendo B el campo magnético). Pero el ZrTe5 no recibió ese mensaje.

Los investigadores encontraron que sus oscilaciones de magnetorresistencia no eran periódicas convencionalmente en 1/B y continuaban mucho más allá del límite cuántico, donde los electrones deberían estar atrapados en el nivel de Landau más bajo y las oscilaciones deberían desaparecer. En cambio, las oscilaciones persistieron, como un mal hábito.

"En materiales cercanos a transiciones de fase topológicas, los electrones pueden dejar de comportarse como partículas ordinarias dentro de un metal", explica Kaufmann. "Sus excitaciones electrónicas comienzan a comportarse como cuasipartículas similares a los fermiones de Dirac, partículas relativistas. En nuestro trabajo, mostramos que el espín de estas cuasipartículas juega un papel central: cuando aplicamos campos magnéticos fuertes, la interacción entre el espín y el campo magnético altera profundamente los niveles de energía de los electrones. Como resultado, los niveles de Landau que normalmente se alejarían de la energía relevante del sistema pueden 'regresar' y cruzarla de nuevo. Este comportamiento inusual es lo que llamamos niveles de Landau reentrantes".

Para explicar esto, los investigadores proponen un proceso llamado "retroceso" (back-bending) de los niveles de Landau, donde algunos niveles se doblan hacia atrás hacia el nivel de Fermi y lo cruzan de nuevo, generando oscilaciones extra en un régimen donde no deberían existir. Esto ocurre debido a la interacción entre la energía ciclotrónica (del movimiento orbital) y el efecto Zeeman (acoplamiento espín-campo magnético), que están entrelazados en materiales con fuerte interacción espín-órbita como el ZrTe5.

Uno de los objetivos del estudio era determinar si las oscilaciones anómalas se debían a efectos de muchos cuerpos (colectivos) o a una propiedad de una sola partícula. Los resultados apuntan a que el fenómeno es de una sola partícula, pero con un giro: el espín juega un papel crucial. Así que, la próxima vez que pienses que entiendes los electrones, recuerda que el ZrTe5 está ahí fuera, riéndose de tus libros de texto.