¿Qué son las cuasipartículas de masa negativa?

Una cuasipartícula es (siendo simplista en la definición) “algo” que puede ser considerado como una partícula pero que en realidad no lo es. Por ejemplo, imagina que tengo una red de muelles unidos entre sí y golpeo uno de ellos. Podrás ver cómo la excitación recorre toda la red de muelles. Podría medir la velocidad a la que se mueve la excitación, podría también medir la energía de esa excitación, y dado que tengo energía y velocidad, podría calcular la “masa” de esa excitación.

Esa excitación tiene una masa, una energía, una velocidad, una cantidad de movimiento, … tiene todas las propiedades de una partícula, pero NO es una partícula.

Imagina ahora que en vez de una excitación tengo una burbuja dentro del agua. Si la observo moverse, veo que por ejemplo la burbuja se mueve en dirección opuesta a la gravedad. ¿Podría concluir que su masa es negativa? ¡Por supuesto que sí!

En el caso de ese post, un excitón es una interacción entre un electrón y un hueco. En un semiconductor, tengo electrones moviéndose por el material que van dejando huecos a su paso. Un hueco es en realidad una zona donde no hay ningún electrón y por tanto podríamos considerarlos como una partícula con la misma masa que la del electrón pero con carga positiva.

Cuando un electrón y un hueco “colisionan” se denomina a este proceso “recombinación” y básicamente tienes energía que normalmente sale en forma de fotón (un LED es un semiconductor donde lo configuras de forma astuta para favorecer los proceso de recombinación para una determinada energía y así que emita luz coherente de un color determinado).

¿Por qué consideramos los huecos como partículas? Básicamente porque así me puedo quitar la red de átomos de en medio y considerar a un semiconductor como un gas de 2 tipos de partículas: huecos y electrones. Al hacerlo así la matemática subyacente se me simplifica muchísimo y puedo describir de una forma más fácil ese proceso.

Como te decía los huecos son partículas con carga positiva y los electrones tienen carga negativa, por tanto se atraen. Si tiras un electrón por el semiconductor, casi seguro que atraerá a algún hueco y lo arrastrará en su viaje por la red (en realidad no está arrastrando nada, lo que ves es en realidad la “estela” que deja el electrón a su paso igual que una lancha deja una estela en el agua).

Ese hueco que queda ligado al electrón también podemos considerarlo como una partícula (quasipartícula para ser más exactos) y lo llamamos excitón.

Cuando el electrón entra en la red, a su paso, los átomos que hay alrededor se deforman un poco eso crea otro tipo de “estela” que no es una carga positiva, sino una deformación en la red, la cual también es una cuasipartícula la cual llamamos polarón.

Pues bien, los excitones y los polarones son capaces de interaccionar entre sí (en determinadas condiciones) y dan lugar a otras cuaspartículas (estas sí que ya parece ser que tienen masa negativa). Este estado es muy frágil porque si la red está a temperatura ambiente, los átomos vibran y esas vibraciones pueden destrozar la interacción entre excitones y polarones (por eso el experimento se ha hecho a 5ºK).

El que tenga masa negativa implica que si por ejemplo le aplicas una fuerza en una dirección, el movimiento que adquiere es en sentido opuesto. Creo que ya podrás imaginar por qué es eso: en realidad no estás viendo ninguna partícula, sino una partícula compuesta por la interacción de huecos y de deformaciones de un cristal. Exactamente igual que una burbuja, tan sólo que cuando ves una burbuja subir (y concluyes que tiene masa negativa y que es repelida por la gravedad), lo ves como algo muy normal y nada sorprendente. Este tipo de “burbujas” son un poco más sofisticadas, pero son sólo eso: burbujas sofisticadas.