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Estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Estos son sin duda los tres mejores estados de la materia. Pero los físicos lo saben, y hay bastantes más. Estados de la materia que pueden describirse como más exóticos. Por ejemplo, existe la condensación de Bose-Einstein, observada por primera vez en 1938, que corresponde a la condensación de bosones, partículas como fotones, por ejemplo, en el nivel de energía más bajo. O, nuevamente, el caso de la superconductividad -que fue descubierta en 1911- que aparece principalmente a muy baja temperatura, cuando los átomos que componen el material no vibran mucho.

Un material colocado en un estado superconductor es capaz de conducir una corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía. También puede, literalmente, expulsar un campo magnético, lo que permite localizar objetos a gran altitud. Este estado especial de la materia es el resultado de un fenómeno cuántico. En los materiales superconductores, los electrones tienden a agruparse en pares. Luego, sus pares interactúan con los átomos que los rodean. Forman una especie de onda colectiva capaz de moverse como una onda insensible a los defectos del material.

Entonces, el caso de la superconductividad muestra que los electrones pueden condensarse en pares. Hizo que los físicos se preguntaran si estas partículas cargadas negativamente también podrían condensarse en cuatrillizos. Ya en 2004, Igor Babayev, profesor de física teórica, predijo este llamado efecto cuaternario. En 2012, había planeado que podría suceder en material real. Hoy es un equipo internacional, encabezado por el Real Instituto de Tecnología de Suecia, el que finalmente está proporcionando la primera evidencia experimental de este nuevo estado de la materia obtenida en un material a base de hierro, Ba1-xNSXFe2como2.

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Material a base de hierro, Ba1-xNSXFe2como2 Y a partir de él, los investigadores obtuvieron un nuevo verano del material de cuatro electrones listo para estos experimentos. © Vadim Grinenko, Federico Caglieris, Real Instituto Sueco de Tecnología

De la superconductividad al electrón cuaternario

Para una mejor comprensión, volvamos a la descripción del estado superconductor. Una descripción que le valió a Leon Cooper -a quien le debemos el nombre dado a los pares de electrones implicados en el fenómeno, los pares de Cooper-, John Bardeen y John Shriver, nada más y nada menos que el Premio Nobel de Física 1972. La teoría que conocemos hoy como la teoría BCS explicó ya en la década de 1950 Desde el siglo pasado, cómo los electrones, a una temperatura más baja, en un cristal, pueden unirse en pares, ya sean cargados negativamente o asumidos. Como si los opuestos acabaran atrayéndose.

Pero esta teoría exacta no permite que los electrones, que los físicos clasifican como fermiones, se unan en cuatrillizos. Por lo tanto, sería realmente necesario que apareciera algo para evitar que inicialmente se unieran en parejas. También evita su flujo sin resistencia. Deje que se condensen a cuatro.

Entonces, ¿cómo notó finalmente el equipo de Igor Babayev la cuadriplicación del condensado de fermión? Después de tres años de pruebas y validación por varios laboratorios, la solidez de los resultados está fuera de toda duda. El físico explica que la clave de este nuevo estado de la materia está oculta en el colapso espontáneo de la inversión de la simetría temporal.

El nuevo estado de la materia observado por los físicos del Real Instituto de Tecnología Sueco puede explicarse por la refracción espontánea de la simetría de inversión del tiempo. Crédito: shutterstock.

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Simetría de reflexión del tiempo rompiendo

Esto todavía requiere algunas aclaraciones. En el modelo estándar de física de partículas hay tres simetrías básicas. Entre ellos, lo que los investigadores llaman simetría de inversión del tiempo. Tipo de operación aritmética que consiste en reemplazar la expresión del tiempo, en fórmulas, por un negativo. Basta permitirles describir un evento en el que el tiempo retrocede. Las leyes básicas de la física siguen siendo las mismas. La base es válida para el estado superconductor. El tiempo invertido y los superconductores siempre estarán en el mismo estado superconductor. Pero en el caso de la condensación de cuatro fermiones, la inversión del tiempo pone la materia en un estado diferente.

Los investigadores se dan cuenta de que probablemente se necesitarán varios años más de estudio para comprender completamente este nuevo estado de la materia y los mecanismos que lo producen. Además, estos experimentos ya están planteando una serie de nuevas preguntas sobre las propiedades inusuales asociadas con la interacción de los cuatro condensadores de fermiones con gradientes de temperatura, campos magnéticos o incluso ultrasonidos.

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