Un equipo de científicos demostró que un sistema no hermitiano —es decir, uno sistema que disipa energía— puede exhibir regiones de estabilidad donde la energía no se pierde, dando lugar a una alta eficiencia. El trabajo centrado en el comportamiento del grafeno, abre nuevas posibilidades para el diseño de futuras tecnologías con aplicaciones de la física cuántica.
El grafeno (Prístino) es un material compuesto por átomos de carbono en una red hexagonal y reconocido por su alta resistencia mecánica y alta conductividad eléctrica.
En el estudio, investigadores de la Universidad de La Serena y la Universidad de Tarapacá, exploraron lo que ocurre al poner dos capaz de grafeno acopladas mediante un término de salto “no hermitiano”, y analizaron el espectro de los electrones y huecos de una capa y la otra, respectivamente.
“Que un sistema sea no hermítico significa que no es un sistema conservativo, disipa energía. Por ejemplo, un sistema eléctrico es no conservativo pues pierde energía por la resistencia de sus dispositivos. Por lo tanto, un sistema no hermítico representa más a un sistema real, pues todos los sistemas de alguna u otra manera pierden energía”, explica el Dr. Luis Palma-Chilla, uno de los autores y decano de la Facultad de Ciencias de la USerena.
Entonces, ¿existe un sistema donde la energía “no se pierde”?
En el análisis, los investigadores observaron que, al juntar dos capas de grafeno, aparece un “gap” (brecha) entre las bandas entre las bandas de conducción y valencia, es decir, un espacio de energía entre las bandas que antes estaban unidas en un punto (Dirac point).
La presencia de esta “brecha” de energía es clave: “Al existir la brecha, el electrón necesita energía para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción. Luego esta brecha puede ser controlada, por ejemplo, por una batería que se manipule externamente, dejando pasar o no pasar electrones. Esto tiene varias aplicaciones tecnológicas en varios campos de la ciencia”, señala el Dr. Palma-Chilla.
En la segunda parte del estudio, los investigadores estimaron la dimensión espacial fraccional del sistema, un fenómeno que surge por la excitación de pares electrón-hueco. En el estado base (vacío), el grafeno tiene una dimensión (D = 2), pero esta aumenta con la temperatura del sistema excitado.
Ese aumento en la dimensión tiene efectos observables, como cambios en la conductividad eléctrica o térmica del material. “Al aumentar la dimensión cambia las propiedades físicas del material, lo que puede controlarse con la temperatura, según se muestra en este trabajo.”
El objetivo, señala el investigador, es abrir el camino hacia materiales con propiedades controlables: “Ese es el objetivo, tal como se muestra, se puede controlar la dimensión fraccionaria del material, es decir las propiedades físicas. También muestra que se puede controlar la brecha entre las bandas de valencia y conducción entre las capas de un grafeno Bilayer.”
Finalmente, el Dr. Palma-Chilla destaca el aporte conceptual del estudio: “En palabras simples, un sistema hermítico es conservativo y un sistema no hermítico es no conservativo. La particularidad de este trabajo es que muestra regiones del espectro donde el sistema se comporta como un sistema conservativo siendo no hermítico.”
Este estudio conecta la teoría cuántica con fenómenos físicos reales, mostrando cómo la “no hermiticidad” —la pérdida de energía— puede, paradójicamente, conducir a sistemas más estables, e incluso acercarnos al desarrollo de materiales superconductores.
