Se ha descubierto un material que comparte atributos cuánticos fundamentales con agujeros negros

Un nuevo descubrimiento podría ayudar a los científicos a comprender los “metales extraños”, una clase de materiales relacionados con los superconductores de alta temperatura y que comparten atributos cuánticos fundamentales con los agujeros negros.

Los científicos entienden bastante bien cómo la temperatura afecta la conductancia eléctrica en la mayoría de los metales cotidianos como el cobre o la plata. Pero en los últimos años, los investigadores han centrado su atención en una clase de materiales que no parecen seguir las reglas eléctricas tradicionales. 

Comprender estos llamados “metales extraños” podría proporcionar información fundamental sobre el mundo cuántico y potencialmente ayudar a los científicos a comprender fenómenos extraños como la superconductividad a alta temperatura.

Ahora, un equipo de investigación codirigido por un físico de la Universidad de Brown ha agregado un nuevo descubrimiento a la extraña mezcla de metales. 

En una investigación publicada en la revista Nature , el equipo encontró un comportamiento metálico extraño en un material en el que la carga eléctrica no es transportada por electrones, sino por entidades más “ondulatorias” llamadas pares de Cooper.

Mientras que los electrones pertenecen a una clase de partículas llamadas fermiones, los pares de Cooper actúan como bosones, que siguen reglas muy diferentes a las de los fermiones. 

Esta es la primera vez que se observa un comportamiento extraño de un metal en un sistema bosónico, y los investigadores tienen la esperanza de que el descubrimiento pueda ser útil para encontrar una explicación de cómo funcionan los metales extraños, algo que ha eludido a los científicos durante décadas.

Usando un material llamado óxido de itrio, bario y cobre con pequeños agujeros, los investigadores han descubierto un comportamiento de "metal extraño" en un tipo de sistema donde los portadores de carga son bosones, algo que nunca antes se había visto. Crédito: Universidad de Brown
Usando un material llamado óxido de itrio, bario y cobre con pequeños agujeros, los investigadores han descubierto un comportamiento de “metal extraño” en un tipo de sistema donde los portadores de carga son bosones, algo que nunca antes se había visto. 
Crédito: Universidad de Brown

“Tenemos estos dos tipos de partículas fundamentalmente diferentes cuyos comportamientos convergen en torno a un misterio”, dijo Jim Valles, profesor de física en Brown y autor correspondiente del estudio. “Lo que esto dice es que cualquier teoría para explicar el comportamiento extraño de los metales no puede ser específica para ningún tipo de partícula. Tiene que ser más fundamental que eso”.

Metales extraños

El extraño comportamiento de los metales se descubrió por primera vez hace unos 30 años en una clase de materiales llamados cupratos. Estos materiales de óxido de cobre son más famosos por ser superconductores de alta temperatura, lo que significa que conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas muy superiores a las de los superconductores normales. Pero incluso a temperaturas por encima de la temperatura crítica para la superconductividad, los cupratos actúan de manera extraña en comparación con otros metales.

A medida que aumenta su temperatura, la resistencia de los cupratos aumenta de forma estrictamente lineal. En los metales normales, la resistencia aumenta solo hasta cierto punto, volviéndose constante a altas temperaturas de acuerdo con lo que se conoce como teoría del líquido de Fermi. La resistencia surge cuando los electrones que fluyen en un metal golpean la estructura atómica vibrante del metal, lo que hace que se dispersen. La teoría del fermi-líquido establece una tasa máxima a la que puede ocurrir la dispersión de electrones. Pero los metales extraños no siguen las reglas de Fermi-líquido, y nadie está seguro de cómo funcionan. Lo que sí saben los científicos es que la relación temperatura-resistencia en los metales extraños parece estar relacionada con dos constantes fundamentales de la naturaleza: la constante de Boltzmann, que representa la energía producida por el movimiento térmico aleatorio, y la constante de Planck, que se relaciona con la energía de un fotón. (una partícula de luz).

“Para tratar de comprender lo que sucede en estos extraños metales, la gente ha aplicado enfoques matemáticos similares a los que se usan para comprender los agujeros negros”, dijo Valles. “Así que hay una física muy fundamental que sucede en estos materiales”.

De bosones y fermiones

En los últimos años, Valles y sus colegas han estado estudiando la actividad eléctrica en la que los portadores de carga no son los electrones. 

En 1952, el premio Nobel Leon Cooper, ahora profesor emérito de física de Brown, descubrió que en los superconductores normales (no del tipo de alta temperatura descubierto más tarde), los electrones se unen para formar pares de Cooper, que pueden deslizarse a través de una red atómica sin resistencia. . A pesar de estar formado por dos electrones, que son fermiones, los pares de Cooper pueden actuar como bosones.

“Los sistemas de fermiones y bosones generalmente se comportan de manera muy diferente”, dijo Valles. “A diferencia de los fermiones individuales, a los bosones se les permite compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que pueden moverse colectivamente como moléculas de agua en las ondas de una ola”.

En 2019, Valles y sus colegas demostraron que los bosones de par de Cooper pueden producir un comportamiento metálico, lo que significa que pueden conducir electricidad con cierta resistencia. Eso en sí mismo fue un hallazgo sorprendente, dicen los investigadores, porque los elementos de la teoría cuántica sugirieron que el fenómeno no debería ser posible. Para esta última investigación, el equipo quería ver si los metales bosónicos del par de Cooper también eran metales extraños.

El equipo usó un material de cuprato llamado óxido de cobre de itrio, bario, modelado con pequeños agujeros que inducen el estado metálico de par de Cooper. El equipo enfrió el material justo por encima de su temperatura superconductora para observar los cambios en su conductancia. Encontraron, como los metales extraños fermiónicos, una conductancia metálica de par de Cooper que es lineal con la temperatura.

Los investigadores dicen que este nuevo descubrimiento les dará a los teóricos algo nuevo para masticar mientras intentan comprender el comportamiento extraño del metal.

“Ha sido un desafío para los teóricos encontrar una explicación de lo que vemos en los metales extraños”, dijo Valles. “Nuestro trabajo muestra que si vas a modelar el transporte de carga en metales extraños, ese modelo debe aplicarse tanto a los fermiones como a los bosones, aunque estos tipos de partículas siguen reglas fundamentalmente diferentes”.

En última instancia, una teoría de los metales extraños podría tener implicaciones masivas. El extraño comportamiento de los metales podría ser la clave para comprender la superconductividad a alta temperatura, que tiene un gran potencial para cosas como redes eléctricas sin pérdidas y computadoras cuánticas. Y debido a que el extraño comportamiento de los metales parece estar relacionado con las constantes fundamentales del universo, comprender su comportamiento podría arrojar luz sobre las verdades básicas de cómo funciona el mundo físico.

Referencia: “Signatures of a strange metal in a bosonic system” by Chao Yang, Haiwen Liu, Yi Liu, Jiandong Wang, Dong Qiu, Sishuang Wang, Yang Wang, Qianmei He, Xiuli Li, Peng Li, Yue Tang, Jian Wang, X. C. Xie, James M. Valles Jr, Jie Xiong and Yanrong Li, 12 January 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04239-y

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