Crean por primera vez partículas con masa negativa y carga eléctrica

En abril pasado, tal como informamos en otro artículo, físicos de la Universidad de Washington aseguraron haber creado por vez primera materia con masa negativa. Lo consiguieron enfriando átomos de rubidio (un metal alcalino) a temperatura cercana al cero absoluto dentro de un recinto de 100 micrómetros de diámetro. Estos átomos se comportaron como si tuvieran masa negativa: avanzaban en la dirección opuesta al impulso que recibían, como si chocaran con un muro invisible.

Ahora, un grupo de físicos de la Universidad de Rochester, también en Estados Unidos, asegura asimismo haber creado partículas con masa negativa, pero esta vez usando láseres y con una significativa diferencia: las nuevas partículas tienen carga eléctrica. Se crearon en un semiconductor que interactuó con la luz confinada en una cavidad óptica.

Los investigadores equiparon la microcavidad óptica con un semiconductor hecho de dos elementos químicos, uno metálico y otro no. Este semiconductor tenía aproximadamente el ancho de un átomo, que es más de un millón de veces más pequeño que un cabello humano.

El semiconductor estaba estratégicamente situado para interactuar con la luz atrapada en la cavidad. Esta interacción generó pequeñas partículas de excitón del semiconductor que luego se combinaron con los fotones de la luz. Esta mezcla formó nuevas partículas híbridas llamadas polaritones, algunas de las cuales tienen masa negativa. Los resultados se publican en Nature Physics.

Excitón y polaritón

El excitón es una cuasipartícula (o excitación elemental) de los sólidos formada por un electrón y un hueco ligados a través de la interacción coulombiana. Se da únicamente en semiconductores y aislantes. Los polaritones son también cuasipartículas surgidas del acoplamiento entre una onda luminosa y una onda de polarización eléctrica.

La masa negativa es difícil de captar mentalmente y también físicamente, explican los investigadores. Es una materia que actúa exactamente al revés de lo que se supondría que tendría que hacer. Cualquier cosa que se espera que haga un objeto cuando se aplica algún tipo de fuerza, si tiene masa negativa hará todo lo contrario.

Es algo en lo que pensar, explica uno de los autores, Nick Vamivakas, en un comunicado. Añade que si tratamos  de empujar o de tirar de una de esas partículas con masa negativa, irá en la dirección opuesta a la de la fuerza impulsora.

Pero estas propiedades no niegan las leyes más conocidas de la física, añade.  La masa negativa es una propiedad de las partículas dentro del material. El material aún tiene masa: si retiro mi mano, caerá al suelo, explica Vamivakas.

Posibles aplicaciones

Los físicos de Rochester creen que los polaritones con masa negativa creados de esta forma podrían conducir a métodos económicos y eficientes para conducir electricidad. Debido a que estas extrañas partículas tienen cargas asociadas a ellas, pueden manipularse para impulsar un campo eléctrico.

Vamivakas señala que su equipo espera usar el dispositivo para crear láseres de menor potencia, lo que significa láseres que no necesitan gastar una gran cantidad de energía para generar la misma cantidad de luz.

Varios informes de masa negativa se han realizado en los últimos años, algunos de los cuales fueron impugnados posteriormente. Lo que distingue a esta investigación es que dio como resultado polaritones con cargas eléctricas, dijo Vamivakas. Todas las  demostraciones anteriores de masa negativa utilizan partículas sin carga, lo que no facilita los citados experimentos con láseres.

Queremos superar el límite de lo eficientes que pueden ser las cosas, concluye Vamivakas. Las partículas con masa negativa son algo parecidas a las partículas de luz, por lo que se mueven más rápido en un material que los electrones normales. Estamos tratando de encontrar formas de hacer interruptores, usar partículas de masa negativa para encender y apagar cosas de una manera inteligente, añade.

Referencia

Anomalous dispersion of microcavity trion-polaritons.  Nature Physics. doi:10.1038/nphys4303