Primera observación de un análogo físico del axión en un semimetal de Weyl

Por Francisco R. Villatoro, el 29 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 5

Un material aislante topológico muestra el efecto magnetoeléctrico topológico cuando un campo eléctrico induce una polarización magnética en su interior y un campo magnético induce una polarización eléctrica. Su acción efectiva contiene un término θ E·B cuya polarización magnetoeléctrica θ  se comporta como un campo pseudoescalar análogo al campo del axión, así se dice que dicho material es un aislante axiónico. Se publicó en Nature  el que podría ser el primer aislante axiónico: el semimetal de tipo Weyl (TaSe4)2I. Se han observado ondas de densidad de carga similares a las esperadas para un aislante axiónico tras aplicar campos eléctricos y magnéticos colineales (E||B). Sin embargo, se requiere confirmación independiente y estudios más detallados de la naturaleza axiónica de este material.

La estructura de bandas electrónicas de un semimetal de Weyl presenta cuasipartículas con una relación de dispersión lineal que se comportan como fermiones de Weyl (con masa efectiva nula). Estas cuasipartículas siempre ocurren a pares con quiralidad opuesta; campos magnéticos y eléctricos colineales permiten el cambio de quiralidad de las cuasipartículas, es decir, aparece una anomalía cuántica que rompe la simetría quiral permitiendo el paso de cuasipartículas de un cono de Weyl hasta el otro. Así aparecen ondas de densidad de carga que se comportan como axiones (una partícula fundamental candidata a explicar la materia oscura). En algunos medios se ha titulado que “se observa el axión por primera vez” cuando quizás habría que titular “se observa un análogo físico del axión”, pero así son los medios.

El artículo es J. Gooth, B. Bradlyn, …, C. Felser, “Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe4)2I,” Nature (07 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1630-4arXiv:1906.04510 [cond-mat.mes-hall] (11 Jun 2019). Entre los medios que han exagerado el titular se encuentra Meredith Fore, “Physicists Have Finally Seen Traces of a Long-Sought Particle. Here’s Why That’s a Big Deal,” Live Science, 22 Nov 2019.

Una onda de densidad de carga (CDW) es el estado fundamental energéticamente favorecido en un conductor cuasi-unidimensionale a baja temperatura que se comporta como un sistema electrón-fonón fuertemente acoplado. Se caracteriza por un salto de banda (gap) en el espectro de las cuasipartículas, sobre un estado fundamental sin salto de banda (gapless), siendo este último un condensado de pares electrón-hueco. La densidad de los portadores (electrones o huecos) y la posición de los átomos de la red está modulada de forma periódica con un periodo mayor que la constante de la red cristalina. Así la CDW se mueve (o desliza) por la red cuando se aplica un campo eléctrico.

En un semimetal de Weyl, la CDW acopla electrones y huecos de diferente quiralidad; esto equivale a la aparición de una masa efectiva compleja en la ecuación de Dirac, que mezcla las poblaciones de ambas quiralidades incluso en ausencia de campo magnético externo. La fase de la CDW se comporta como un campo pseudoescalar que se puede identificar con el campo del axión, así se habla de material aislante axiónico. La cuasipartícula asociada a la fase, llamada fasón (phason), se identifica con el axión (en rigor con un modo axiónico). La anomalía quiral asociada es irrelevante para el transporte magnetoeléctrico del axión en el estado aislante, pero introduce una contribución longitudinal positiva en la magnetoconductrancia. La observación de esta contribución se considera una prueba de que se ha observado un estado aislante axiónico.

La comparación entre las curvas intensidad-voltaje (I-V) del (TaSe4)2I a 80 K, tras aplicar campos magnéticos transversales B⊥I y longitudinales B∥I, muestra que en este último caso la contribución magnetoeléctrica E·B esperada para un aislante axiónico (compárense las figuras mostradas en ambos casos). Por ello se considera que el (TaSe4)2I es un firme candidato a aislante axiónico y apunta a que se ha observado de forma indirecta el axión (o fasón axiónico). Se han realizado varios chequeos de las propiedades del fasón que parecen apoyar su naturaleza axiónica (de ahí que este artículo se haya publicado en Nature); a pesar de ello creo que debo advertir que hay que esperar a estudios independientes para confirmarlo.



5 Comentarios

  1. El artículo me dejó dos interrogantes ¿La existencia de la cuasipartícula implica o prueba de alguna manera la existencia del axión? ¿Las cracterísticas de la cuasipartícula sirven para de algún modo acotar el rango de energías de axión en los experimentos de detección?
    Un saludo

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