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» » Puntos Weyl, después de 86 años


Referencia: eScienceNews.com, 17 de julio 2015
y EurekAlert.org, 16 julio 2015
"Weyl points: Wanted for 86 years"
por Dr. Ling Lu y prof. Marin Soljačić

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Los puntos Weyl, analogías 3D de las estructuras que conforman el excepcional grafeno, se predijeron teóricamente en 1929. Actualmente, un equipo internacional de físicos del MIT y la Universidad de Zhejiang, los han descubierto en los cristales fotónicos, abriendo con ello una nueva dimensión en la fotónica.

Gráfico 1: Cristal fotónico.Crédito Dr. Ling Lu
En 1928 el físico inglés Paul Dirac descubrió una ecuación fundamental en la física de partículas y la mecánica cuántica, ahora conocida como ecuación de Dirac, que describe ondas-partículas relativistas. Los electrones muy rápidos eran soluciones a la ecuación de Dirac. Por otra parte, dicha ecuación predijo la existencia de anti-electrones o positrones, partículas con la misma masa que los electrones pero con carga opuesta. Tal como predijo Dirac, los positrones fueron descubiertos cuatro años más tarde, en 1932, por el físico estadounidense Carl Anderson.

Gráfico 2: Puntos Weyl en espacio recíproco.
Crédito Dr. Ling Lu
En 1929 Hermann Weyl, un matemático alemán, encontró otra solución a la ecuación de Dirac, esta vez sin masa [1]. Un año más tarde, el físico teórico de origen austriaco Wolfgang Pauli postuló la existencia del neutrino, que entonces se pensaba que no tenía masa, y supuestamente era la codiciada solución a la ecuación de Dirac formulada por Weyl. Los neutrinos aún no se habían detectado en la naturaleza, pero el caso parecía ya estar cerrado.

Pasarían décadas para que los físicos estadounidenses Frederick Reines y Clyde Cowan finalmente descubrieran los neutrinos en 1957, y a partir de ahí, numerosos experimentos fueron indicando que los neutrinos podrían tener masa. En 1998, el Super-Kamiokande (un observatorio de neutrinos ubicado en Japón), anunció ya se había especulado durante años: los neutrinos tienen masa no-cero. Este descubrimiento permitía una nueva cuestión: ¿qué fue entonces, la solución de masa cero encontrada por Weyl?

La respuesta vino de la mano del Dr. Ling Lu (MIT), el Dr. Zhiyu Wang (Universidad de Zhejiang, China), el Dr. Dexin Ye (Universidad de Zhejiang), Prof. Lixin Ran (Universidad de Zhejiang), el profesor Liang Fu (MIT), el profesor John D. Joannopoulos (MIT), y el profesor Marin Soljačić (MIT).

Ling Lu, primer autor del artículo publicado en Science, es muy entusiasta: "¡Los puntos Weyl existen realmente en la naturaleza! Construimos un cristal fotónico de doble giroide con la simetría de paridad rota. La luz que pasa a través del cristal muestra la firma de los puntos de Weyl en el espacio recíproco: Dos bandas lineales de dispersión que se tocan en puntos aislados."

Los puntos Weyl, las soluciones sin masa a la ecuación de Dirac, no se encontraron en los experimentos de partículas. El equipo de investigación tuvo que construir un material adaptado para observarlos. El cristal fotónico de doble giroide es en sí mismo una obra de arte. Un giroide, de hecho, se puede encontrar en la naturaleza, en sistemas tan diversos como las alas de mariposa y la salsa de tomate [2,3]. Sin embargo, el grupo de investigación quería un doble giroide con una simetría rota muy específica, que fue la primera propuesta de un trabajo teórico del mismo grupo [4]. A fin de fabricar esta estructura, junto a las partes que están conectadas y los defectos ad hoc (como que los agujeros de aire rompen la simetría), Lu y sus colaboradores tuvieron que fabricar, perforar la pila de placas de plástico rellenas de cerámica (Gráfico 1).


Una vez que la muestra estaba lista, era el momento para observar si se comportaba como se esperaba, por el resplandor de la luz a través de ella y el análisis de la señal de salida. Los físicos analizaron estos experimentos en lo que se llama el espacio recíproco, o el momentum espacial. El panel de la derecha de la Gráfico 2 muestra lo que se supone que son los puntos de Weyl apareciendo en el espacio recíproco: puntos degenerados, los puntos donde dos bandas de dispersión lineales se encuentran. El panel izquierdo muestra un ejemplo de los datos medidos, una prueba sólida de que los puntos de Weyl existen de facto en la naturaleza.

"El descubrimiento de los puntos de Weyl no sólo es la prueba irrefutable de un misterio científico", comenta el profesor del MIT, Marin Soljačić, "sino que allana el camino para absolutamente nuevo fenómenos y aplicaciones fotónicas. Pensemos en la revolución del grafeno: El grafeno es una estructura 2D, y sus propiedades electrónicas son, en un grado sustancial, una consecuencia de la existencia de puntos degeneración lineales (conocidos como puntos de Dirac) en su momentum espacial.

Los materiales que contienen puntos de Weyl hacen lo mismo, pero en 3D. Literalmente añaden un grado de libertad, una dimensión". El descubrimiento del grafeno y sus propiedades electrónicas únicas fue laureado con el Premio Nobel de Física 2010, pero puntos de Dirac del grafeno no son estables a las perturbaciones. Por otra parte, las estructuras introducidas por Lu et al., sí son muy estables a las perturbaciones*, ofreciendo una nueva herramienta para controlar cómo está confinada la luz, cómo rebota y cómo irradia. Este descubrimiento abre un nuevo campo intrigante en la física básica. Las aplicaciones potenciales son igualmente prometedoras. Los ejemplos incluyen la posibilidad de construir angularmente materiales 3D selectivos y láseres más potentes de frecuencia única.

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- Fuente: Massachusetts Institute of Technology, Institute for Soldier Nanotechnologies.
- Publicación: "Experimental observation of Weyl points", Ling Lu, Zhiyu Wang, Dexin Ye, Lixin Ran, Liang Fu, John D. Joannopoulos, and Marin Soljači?, Science .
- Imágenes: Gráfico 1: Cristal fotónico. Gráfico 2: Puntos Weyl en espacio recíproco. Crédito ambas Dr. Ling Lu.
- Referencias:
[1] H. Weyl, "Elektron und gravitation," Z. Phys. 56, 330- 352 (1929)
[2] V. Saranathan, et al. "Structure, function, and self-assembly of single network gyroid (I4132) photonic crystals in butterfly wing scales."Proc. Natl Acad. Sci. USA 107, 11676-11681(2010).
[3] W. Longley, & , T. J. McIntosh "A bicontinuous tetrahedral structure in a liquid-crystalline lipid" Nature 303, 612-614 (1983)
[4] L. Lu, L. Fu, J. D. Joannopoulos and M. Soljači? "Weyl points and line nodes in gyroid photonic crystals" Nature Photonics, Vol. 7, No. 4, P. 294-299 (2013)
[5] J. Fleischer "Achieving robust Weyl points", news &views Nature Photonics Vol 7 No 3 (2013) Written by Dr. Paola Rebusco (pao@mit.edu).

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