Científicos identifican mecanismo que explica las propiedades características de los 'metales extraños'

17 de agosto de 2023

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por la Fundación Simons

Durante casi 40 años, los materiales llamados 'metales extraños' han desconcertado a los físicos cuánticos, desafiando la explicación al operar fuera de las reglas normales de la electricidad.

Ahora, una investigación liderada por Aavishkar Patel del Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York ha identificado, por fin, un mecanismo que explica las propiedades características de los metales extraños.

En el número del 18 de agosto de Science, Patel y sus colegas presentan su teoría universal sobre por qué los metales extraños son tan extraños, una solución a uno de los mayores problemas sin resolver en la física de la materia condensada.

El comportamiento de los metales extraños se encuentra en muchos materiales cuánticos, incluidos algunos que, con pequeños cambios, pueden convertirse en superconductores (materiales en los que los electrones fluyen sin resistencia a temperaturas suficientemente bajas). Esa relación sugiere que comprender los metales extraños podría ayudar a los investigadores a identificar nuevos tipos de superconductividad.

La sorprendentemente simple nueva teoría explica muchas rarezas de los metales extraños, como por qué el cambio en la resistividad eléctrica, una medida de la facilidad con la que los electrones pueden fluir a través del material como corriente eléctrica, es directamente proporcional a la temperatura, incluso a temperaturas extremadamente bajas. Esa relación significa que un metal extraño resiste más el flujo de electrones que un metal común como el oro o el cobre a la misma temperatura.

La nueva teoría se basa en una combinación de dos propiedades de los metales extraños. En primer lugar, sus electrones pueden entrelazarse cuánticamente entre sí, uniendo sus destinos, y permanecen entrelazados incluso cuando están separados a distancia. En segundo lugar, los metales extraños tienen una disposición no uniforme y similar a un mosaico de átomos.

Ninguna de estas propiedades por sí sola explica las rarezas de los metales extraños, pero juntas, 'todo encaja perfectamente', dice Patel, quien trabaja como Investigador en el Instituto Flatiron en el CCQ.

La irregularidad en la disposición atómica de un metal extraño hace que los entrelazamientos de electrones varíen según el lugar en el que ocurran. Esa variedad agrega aleatoriedad al momento de los electrones mientras se mueven a través del material e interactúan entre sí. En lugar de fluir todos juntos, los electrones se chocan unos con otros en todas las direcciones, lo que resulta en resistencia eléctrica. Dado que los electrones chocan con más frecuencia a medida que aumenta la temperatura del material, la resistencia eléctrica también aumenta.

'Esta interacción entre el entrelazamiento y la falta de uniformidad es un efecto nuevo; nunca antes se había considerado para ningún material', dice Patel. 'A posteriori, es algo extremadamente simple. Durante mucho tiempo, las personas estaban complicando innecesariamente toda esta historia de los metales extraños, y eso simplemente no era correcto'.

Patel afirma que una mejor comprensión de los metales extraños podría ayudar a los físicos a desarrollar y afinar nuevos superconductores para aplicaciones como las computadoras cuánticas.

'Existen casos en los que algo quiere volverse superconductor pero no lo logra del todo, porque la superconductividad se ve bloqueada por otro estado competitivo', dice. 'Entonces, podríamos preguntarnos si la presencia de estas no uniformidades puede destruir estos otros estados con los que compite la superconductividad y dejar el camino abierto para la superconductividad'.

Ahora que los metales extraños son un poco menos extraños, el nombre puede parecer menos adecuado de lo que solía ser. 'Me gustaría llamarlos metales inusuales en este punto, no extraños', dice Patel.

Patel coescribió el nuevo estudio con Haoyu Guo, Ilya Esterlis y Subir Sachdev de la Universidad de Harvard.

Información de la revista: Science

Proporcionado por Fundación Simons