En un estadio lleno, la ola humana tiene vida propia: avanza, acelera, se puede medir su velocidad y predecir su trayectoria. Y sin embargo, no existe fuera de ese estadio. No puede existir sin el público que la forma.
La física moderna trabaja con entidades sorprendentemente parecidas. Se llaman cuasipartículas —magnones, fonones, huecos de electrón—, tienen propiedades bien definidas y efectos medibles en materiales reales. Pero plantean una pregunta incómoda: ¿puede considerarse «real» algo que no puede existir en el vacío ni de forma aislada?
Qué es una partícula (y por qué la respuesta no es tan sencilla)
La imagen clásica de una partícula es la de un objeto pequeño y bien definido. Esa imagen quedó superada hace un siglo. Douglas Natelson, físico de materia condensada en la Universidad Rice, en Houston, lo resume con precisión: la física cuántica reveló que el universo se vuelve borroso a sus niveles más pequeños.
En 1924, el físico francés Louis de Broglie demostró que los electrones no solo se comportan como partículas, sino también como ondas. Ese descubrimiento le valió el Premio Nobel.
La física moderna va más lejos. Según Ross McKenzie, físico teórico de la Universidad de Queensland, las partículas son excitaciones en campos que impregnan todo el universo, como ondas en un estanque. Cada tipo de partícula tiene su propio campo: los fotones, por ejemplo, son ondulaciones del campo electromagnético. Bajo esta descripción, la frontera entre «partícula» y «onda» desaparece.
Qué son exactamente las cuasipartículas
Si una partícula ordinaria es una onda que viaja dentro de un material, también pueden existir otros tipos de excitaciones en esa misma materia. Esas otras ondas son las cuasipartículas.
La analogía del estadio lo ilustra bien. La ola humana tiene posición, velocidad y trayectoria predecible. Pero solo existe gracias a la respuesta colectiva del público. Sin el estadio y sus ocupantes, no hay ola.
Las cuasipartículas funcionan de manera análoga: solo pueden existir dentro de un medio o material, porque emergen de la respuesta colectiva de sus componentes. Los electrones o los protones, en cambio, sí pueden existir en el espacio libre. Las cuasipartículas, no.
El concepto fue formulado por el físico teórico soviético Lev Landau en los años cincuenta, y ese trabajo figuró entre los méritos que le valieron el Premio Nobel de Física en 1962.
Un zoológico de partículas con nombres exóticos
Desde Landau, los científicos han propuesto decenas de tipos de cuasipartículas. La variedad del catálogo es notable.
El fonón es el paquete mínimo de energía vibratoria que constituye el sonido dentro de la materia. El hueco de electrón es la vacante con carga positiva que deja un electrón al abandonar su posición original: una ausencia que se comporta como si fuera una partícula real con propiedades medibles. El excitón va un paso más allá —es un electrón y un hueco que se orbitan mutuamente, formando un sistema ligado—, mientras que el anión —o anyon, en inglés— solo se ha observado en sistemas bidimensionales y puede portar una fracción de carga eléctrica, algo imposible para las partículas elementales conocidas.
¿Cuántos tipos pueden existir? Según McKenzie, el número es, en principio, infinito: igual que hay infinitos estados posibles de la materia, puede haber infinitos tipos de cuasipartículas.
Para qué sirven en la ciencia y la tecnología
Las cuasipartículas no son solo una curiosidad teórica. Su utilidad principal es práctica: simplifican de forma considerable la descripción matemática de fenómenos complejos en sólidos.
Modelar la interacción simultánea de millones de partículas en un material sería computacionalmente inabordable. El lenguaje de las cuasipartículas reduce esa complejidad a algo tratable. Como señala Natelson, «muy a menudo la matemática detrás de los fenómenos físicos en sólidos se describe bien mediante cuasipartículas». El comportamiento de la electricidad en dispositivos electrónicos se describe habitualmente en términos de huecos y excitones, y sin este marco conceptual la electrónica moderna sería mucho más difícil de entender y diseñar.
¿Son reales? Una pregunta que depende de lo que entendamos por «real»
Aquí la discusión adquiere un cariz filosófico. Las cuasipartículas no son partículas elementales: no pueden existir en aislamiento ni en el vacío. En ese sentido estricto, la respuesta es no.
Pero pueden detectarse, medirse y manipularse, y exhiben propiedades equivalentes a las de las partículas ordinarias. McKenzie lo dice sin rodeos: para todos los efectos prácticos, son tan reales como cualquier otra partícula.
La pregunta sobre su realidad depende, en última instancia, del criterio que se use para definir «existir». ¿Se requiere que algo pueda aislarse en el vacío? Entonces las cuasipartículas no son reales. ¿Basta con que produzcan efectos medibles y predecibles? Entonces lo son completamente. Esa tensión no es un defecto del concepto, sino una invitación a reconsiderar qué se exige cuando se dice que algo «existe» en física —y si esa exigencia refleja más una convención que una verdad objetiva.