Parte de una predicción de 1929 realizada por el físico Hermann Weyl - de un tipo de partícula sin masa que presenta un punto singular en su espectro de energía llamado "punto de Weyl" - finalmente ha sido confirmado por observación directa por primera vez, dice unequipo internacional de físicos dirigido por investigadores del MIT. El hallazgo podría conducir a nuevos tipos de láseres monomodo de alta potencia y otros dispositivos ópticos, dice el equipo.
Durante décadas, los físicos pensaron que las partículas subatómicas llamadas neutrinos eran, de hecho, las partículas sin masa que Weyl había predicho, una posibilidad que finalmente fue eliminada por el descubrimiento de 1998 de que los neutrinos tienen una pequeña masa. Mientras que miles de artículos científicosse han escrito sobre las partículas teóricas, hasta este año parecía haber pocas esperanzas de confirmar su existencia.
"Cada artículo escrito sobre los puntos de Weyl era teórico, hasta ahora", dice Marin Soljačić, profesor de física en el MIT y autor principal de un artículo publicado esta semana en la revista ciencia confirmando la detección. Otro equipo de investigadores de la Universidad de Princeton y de otros lugares realizó una detección diferente de las partículas de Weyl; su artículo aparece en el mismo número de ciencia .
Ling Lu, científico investigador del MIT y autor principal del artículo de ese equipo, dice que los puntos evasivos pueden considerarse equivalentes a las entidades teóricas conocidas como monopolos magnéticos. No existen en el mundo real: serían el equivalentede cortar un imán de barra por la mitad y terminar con imanes norte y sur separados, mientras que lo que realmente sucede es que terminas con dos imanes más cortos, cada uno con dos polos. Pero los físicos a menudo realizan sus cálculos en términos de espacio de momento también llamadoespacio recíproco en lugar del espacio tridimensional ordinario, explica Lu, y en ese marco pueden existir monopolos magnéticos, y sus propiedades coinciden con las de los puntos de Weyl.
El logro fue posible gracias al uso novedoso de un material llamado cristal fotónico. En este caso, Lu pudo calcular mediciones precisas para la construcción de un cristal fotónico que se prevé que produzca la manifestación de puntos de Weyl, con dimensiones yángulos precisos entre conjuntos de orificios perforados a través del material, una configuración conocida como estructura giroidea. Esta predicción se demostró correcta por una variedad de mediciones sofisticadas que coincidían exactamente con las características esperadas para tales puntos.
Lu señala algunos tipos de estructuras giroideas en la naturaleza, como en ciertas alas de mariposa. En tales casos naturales, los giroides se autoensamblan, y su estructura ya era conocida y entendida.
Hace dos años, los investigadores habían pronosticado que al romper las simetrías en una especie de superficies matemáticas llamadas "giroides" de cierta manera, sería posible generar puntos Weyl, pero al darse cuenta de que la predicción requería que el equipo calculara y construyesus propios materiales. Con el fin de facilitar su trabajo, el cristal fue diseñado para funcionar a frecuencias de microondas, pero los mismos principios podrían usarse para hacer un dispositivo que funcione con luz visible, dice Lu. "Conocemos algunosgrupos que están tratando de hacer eso ", dice.
Soljačić dice que varias aplicaciones podrían aprovechar estos nuevos hallazgos. Por ejemplo, los cristales fotónicos basados en este diseño podrían usarse para fabricar dispositivos láser monomodo de gran volumen. Por lo general, dice Soljačić, cuando escalas unláser, hay muchos más modos para que la luz siga, lo que hace cada vez más difícil aislar el modo único deseado para el rayo láser y limita drásticamente la calidad del rayo láser que se puede entregar.
Pero con el nuevo sistema, "No importa cuánto lo escales, hay muy pocos modos posibles", dice. "Puedes escalarlo todo lo que quieras, en tres dimensiones, a diferencia de otros sistemas ópticos."
El tema de la escalabilidad en los sistemas ópticos es "bastante fundamental", dice Lu; este nuevo enfoque ofrece una forma de eludirlo. "Tenemos otras aplicaciones en mente", dice, para aprovechar la "selectividad óptica del dispositivo enun objeto a granel tridimensional ". Por ejemplo, un bloque de material podría permitir el paso de un ángulo y color de luz precisos, mientras que todos los demás estarían bloqueados.
"Este es un desarrollo interesante, no solo porque los puntos de Weyl se han observado experimentalmente, sino también porque dotan a los cristales fotónicos que los realizan con propiedades ópticas únicas", dice Ashvin Vishwanath, profesor de física en la Universidad de California enBerkeley, que no participó en esta investigación, "el grupo del profesor Soljačić tiene un historial de convertir rápidamente nueva ciencia en dispositivos creativos con aplicaciones industriales, y espero ver cómo evolucionan los cristales fotónicos de Weyl".
Además de Lu y Soljačić, el equipo incluyó a Zhiyu Wang, Dexin Ye y Lixin Ran de la Universidad de Zhejiang en China y, en el MIT, el profesor asistente de física Liang Fu y John Joannopoulos, el profesor de física Francis Wright Davis y director delInstituto de Nanotecnologías Soldado ISN. El trabajo fue apoyado por el Ejército de los EE. UU. A través del ISN, el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Nacional de Ciencias de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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