Aclarando el enigma del aumento de peso y de velocidad en electrones

Las observaciones realizadas durante los últimos 30 años indican que los electrones en ciertos sólidos se comportan como partículas con masas de cientos a miles de veces más grandes que las de los electrones que se mueven libremente en el vacío. Hasta ahora, sin embargo, los científicos no habían podido entender cómo sucede esto, y carecían de las herramientas necesarias para explorar la conexión entre este proceso y la superconductividad de electrones pesados.

Recientemente, un equipo de investigadores ha mostrado de qué manera los electrones alcanzan ese singular estado de pesadez extrema y al mismo tiempo pueden moverse con la velocidad rapidísima típica en un superconductor.

La observación de estas propiedades aparentemente contradictorias de los electrones es fundamental para comprender cómo ciertos materiales se convierten en superconductores, en los cuales los electrones pueden fluir sin resistencia. Materiales de esta clase, y que resultasen de uso lo bastante práctico, podrían aumentar de manera espectacular la eficiencia de las redes eléctricas y aumentar la velocidad de los ordenadores.

La nueva investigación, a cargo de un equipo de científicos dirigido desde la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, Estados Unidos, ha revelado que un proceso de difícil medición, conocido como entrelazamiento cuántico, determina la pesadez de los electrones que se mueven en un cristal, y el ajuste delicado de este entrelazamiento puede alterar notablemente las propiedades de un material.

Si materiales sólidos de ciertos tipos son enfriados hasta muy por debajo de la temperatura ambiente, los electrones pasan a actuar como partículas mucho más pesadas. Sorprendentemente, enfriar estos sólidos hasta una temperatura cercana al Cero Absoluto hace que se conviertan en superconductores, en los que los electrones, a pesar de su pesadez, crean una especie de fluido perfecto que puede fluir sin pérdida alguna de energía eléctrica por el camino.

El equipo de investigación, que incluyó a científicos del Laboratorio Nacional estadounidense de Los Álamos y la Universidad de California en Irvine, ha logrado no sólo observar la ganancia de masa en los electrones, sino también mostrar que los electrones pesados son en realidad objetos compuestos por dos formas entrelazadas del electrón. Este entrelazamiento es un resultado de las leyes de la mecánica cuántica, que rigen el modo en el que se comportan las partículas muy pequeñas y permiten que las partículas que están entrelazadas actúen de manera diferente a como lo hacen las que no lo están.

El estudio realizado por el equipo de Ali Yazdani, que ha combinado experimentos y modelos teóricos, es el primero que muestra cómo a partir de esos entrelazamientos surgen electrones pesados.

En la investigación, también han trabajado Pegor Aynajian, Eduardo da Silva Neto y András Gyenis de la Universidad de Princeton, Ryan Baumbach, Joseph Thompson y Eric Bauer del Laboratorio Nacional estadounidense de Los Álamos en Nuevo México, y Zachary Fisk de la Universidad de California en Irvine.