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Aug 07, 2023

Física

La capacidad de los llamados metales extraños para transportar corriente desafía las reglas conocidas de la electricidad. Ahora Aavishkar Patel, del Instituto Flatiron de Nueva York, y sus colegas tienen una explicación de por qué

La capacidad de los llamados metales extraños para transportar corriente desafía las reglas conocidas de la electricidad. Ahora Aavishkar Patel, del Flatiron Institute de Nueva York, y sus colegas tienen una explicación de por qué [1]. Dicen que el resultado podría ayudar a los científicos a encontrar nuevos materiales que exhiban superconductividad a alta temperatura, de la cual la extraña metalicidad es un estado precursor.

Si calientas una losa de cobre, su resistencia eléctrica (cuánto se opone el material al flujo de una corriente eléctrica) aumentará con el cuadrado de la temperatura. Pero si a ese cobre se le añade algo de oxígeno, lantano y bario, el comportamiento cambia repentinamente. El material de cuprato resultante no tiene resistencia eléctrica a temperaturas muy bajas, pero a medida que se calienta, la resistencia aumenta linealmente con la temperatura, lo que lo convierte en un conductor peor que un metal normal como el cobre. Otras propiedades del material también son anormales, incluida su capacidad para absorber calor y transportar una corriente eléctrica que oscila rápidamente. "Pero el cambio de resistividad es el más sorprendente", afirma Patel.

Los científicos descubrieron por primera vez estas rarezas de la resistencia en 1986, pero les ha costado explicar su origen. El año pasado, los experimentos confirmaron una teoría que explica el comportamiento de resistencia cero (superconductividad) en los cupratos. Ahora los teóricos tienen una explicación para la tendencia de resistencia lineal (metalicidad extraña) observada en los cupratos y en otros materiales (ver Punto de vista: el grafeno revela su lado extraño).

Para comprender por qué los metales extraños son peores conductores que los metales normales, Patel y sus colegas recurrieron a los electrones de los materiales, los portadores de corriente eléctrica. Para que el material tuviera una mayor resistencia a temperaturas más bajas, el equipo pensó que los electrones debían moverse más lentamente. ¿Pero por qué?

Una posible causa que el equipo consideró fue el aumento de las colisiones entre los electrones, lo que en teoría debería ralentizar las partículas y provocar un aumento de la resistencia. De hecho, el aumento de las colisiones puede cambiar los momentos de los electrones individuales. Pero el equipo descubrió que este cambio por sí solo no afecta la resistencia, ya que el impulso general (el llamado impulso del centro de masas) permanece inalterado. Algunos electrones se desaceleran, mientras que otros se aceleran, por lo que "simplemente aumentar las colisiones no es suficiente", dice Patel.

Otra posibilidad que consideró el equipo fue una falta de homogeneidad en el panorama energético potencial del material. El equipo demostró que atravesar un “terreno lleno de baches” altera el impulso del centro de masa de los electrones, independientemente de si chocan o no. Pero la resistividad dependiente de la temperatura en este escenario coincide con la observada para los metales normales, no para los extraños. "Nos dimos cuenta de que debía estar sucediendo algo más", dice Patel.

Ese algo más resultó ser un enredo. Al modelar los electrones como si estuvieran en un estado altamente entrelazado, el equipo descubrió que en un terreno accidentado la fuerza del entrelazamiento de los electrones varía dependiendo de en qué parte del material tuvo lugar el entrelazamiento. Esta falta de homogeneidad del entrelazamiento añade aleatoriedad tanto a los momentos de los electrones como a la frecuencia con la que chocan (cuanto más fuerte es el entrelazamiento local, más frecuentes son los choques).

Ahora, en lugar de fluir todos en una dirección a través del material, los electrones se mueven en todas direcciones. Esta irregularidad induce una caída del momento del centro de masa mucho mayor que la que se produce cuando los electrones se mueven colectivamente. También cambia la dependencia de la temperatura de la resistencia correspondiente de modo que siga la lineal vista en los experimentos. "Esta interacción de entrelazamiento y falta de uniformidad es un efecto nuevo", dice Patel. "No se había considerado antes a pesar de ser una conexión relativamente sencilla de hacer".

"Este trabajo proporciona una perspectiva nueva y fresca sobre un problema muy importante", dice Rafael Fernandes, teórico de la materia condensada de la Universidad de Minnesota que estudia el comportamiento colectivo de los electrones en sistemas desordenados. “No sólo encuentran este mecanismo universal para el comportamiento de metales extraños que no depende de ningún detalle del material, sino que también proporcionan un avance conceptual sobre cómo pensar en las interacciones de electrones en materiales fuertemente correlacionados. Es hermoso."

Yashar Komijani, un teórico de la materia condensada de la Universidad de Cincinnati que trabaja en problemas relacionados con la superconductividad, se hace eco de ese sentimiento. Para Komijani, un aspecto importante del modelo es su predicción concreta de la independencia de la resistividad residual de un metal extraño (la resistividad a cero kelvin) y la pendiente del gradiente en el régimen de resistividad lineal. "La predicción es algo que los experimentos pueden comprobar fácilmente", afirma.

Komaijini cree que la nueva teoría tiene buenas posibilidades de resistir ese escrutinio experimental, así como una mayor investigación teórica. Pero señala que la teoría aún no responde a todas las preguntas abiertas relacionadas con el comportamiento de los metales extraños. Por ejemplo, si bien el nuevo modelo predice tres de los comportamientos anómalos de los metales extraños, actualmente no aborda un cuarto, que se relaciona con cómo el material desvía una corriente eléctrica cuando se lo somete a un campo magnético. Patel y el equipo no comentaron sobre este aspecto del comportamiento del metal extraño en este estudio.

Incluso con esta advertencia, Komaijini considera que el trabajo tendrá un impacto inmediato en la búsqueda de metales extraños que se conviertan en superconductores a altas temperaturas. "Para comprender mejor los superconductores de alta temperatura, primero debemos comprender los metales extraños", afirma. "Este trabajo es un gran avance en esa dirección".

–Katherine Wright

Katherine Wright es la editora adjunta de la revista Physics.

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