Los electrones en un sólido normalmente o corren libremente (metal) o están confinados en su lugar (aislante). Pero a veces la fuerte repulsión mutua los encierra en un estado a medias: las cargas se quedan quietas, mientras que los espines —pequeñas agujas magnéticas— siguen viviendo su propia vida. Esto se llama aislante de Mott.
Los autores del nuevo trabajo construyeron una cadena unidimensional de átomos de dos tipos: A y B. En los sitios A se sienta un electrón inmóvil que repele fuertemente a los vecinos. En los sitios B los electrones son móviles. Tras una proyección matemática se obtuvo una red solo de sitios B, pero con una interacción inusual: los electrones se sienten a distancia, determinada por una escala de momento especial k*. Al añadir la interacción antiferromagnética J entre espines vecinos, los científicos descubrieron la fase de semimetal de Mott.
Los cálculos numéricos mediante diagonalización exacta y grupo de renormalización mostraron que el estado fundamental tiene carga central c=3 —este número caracteriza los tipos de movimientos colectivos. Al romperse la simetría partícula-hueco, el semimetal se transforma suavemente en un aislante, y la polarización cambia abruptamente en exactamente 1/2. Tal salto es una señal clara de una transición topológica.
El trabajo proporciona el primer ejemplo fiable de un semimetal de Mott en el estado fundamental. Es un paso hacia la comprensión de cómo, a partir de ingredientes simples —repulsión, interacción de intercambio y simetrías— nacen fases exóticas con separación de carga y espín.
La carga central c=3 significa que en el sistema viven simultáneamente tres tipos de excitaciones sin masa —como tres variedades de «luz líquida» en un mismo cristal.
En la novela «Spin» de Robert Charles Wilson, unas partículas hipotéticas transportan información sin materia —similar al modo de espín neutro que se mueve a través de la red sin tocar la carga.