Una transición cuántica hace que los electrones se comporten como si no tuviesen espines | AGÊNCIA FAPESP

Una transición cuántica hace que los electrones se comporten como si no tuviesen espines Mediante una combinación de experimentos en condiciones extremas y análisis teóricos, científicos procuran generar el conocimiento que permitirá crear en el futuro una nueva generación de materiales funcionales sostenibles para su utilización en dispositivos de información cuántica o superconductores (imagen: representación de la estructura cristalina del material contemplado en el estudio, el fermión pesado Ce3Pd20Si6/ PNAS)

Una transición cuántica hace que los electrones se comporten como si no tuviesen espines

14 de noviembre de 2019

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las transiciones de fase comunes son aquellas que se producen en función de las variaciones de temperatura. De este modo es como el hielo cambia de fase y se transforma en agua líquida a 0 °C, y el agua líquida cambia de fase y se transforma en vapor a 100 °C. Y de idéntica manera, los materiales magnéticos se vuelven no magnéticos a temperaturas críticas. Pero existen también transiciones de fase que independen de la temperatura. Son las que ocurren en las cercanías del cero absoluto [-273,15 °C] y están asociadas a fluctuaciones cuánticas.

En el marco de un estudio que comprendió la realización de experimentos en condiciones extremas de temperaturas ultra bajas e intensos campos magnéticos, y seguimientos mediante interpretación teórica de los resultados experimentales, se exploró este tipo de situaciones y se investigó el punto crítico cuántico en su manifestación en una transición bastante inusual.

Este trabajo, que contó con la participación de la investigadora italiana Valentina Martelli y del peruano Julio Larrea, ambos docentes del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil, salió publicado en el periódico científico Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America (PNAS).

La parte experimental del mismo, encabezada por la profesora Silke Paschen, se llevó a cabo en los laboratorios de la Technische Universität Wien (la Universidad Técnica de Viena), en Austria, y contó con el apoyo teórico del grupo coordinado por el profesor Qimiao Si, de la Rice University, en Estados Unidos. “Verificamos e interpretamos evidencias de dos puntos críticos cuánticos sucesivos, asociados a una doble ruptura del efecto Kondo”, comentó Larrea en declaraciones concedidas a Agência FAPESP.

El efecto Kondo, que lleva este nombre en alusión al físico japonés Jun Kondo (nacido en 1930), explica la formación de fermiones pesados en compuestos metálicos basados en elementos de tierras raras. En esos compuestos, debido a su fuerte correlación, los electrones se comportan colectivamente, formando un singlete (un conjunto de partículas distintas que se comportan como una partícula sola) al que puede representárselo como el acoplamiento del momento magnético localizado del ion de la tierra rara con el electrón de conducción situado alrededor de éste. Esa cuasipartícula puede alcanzar masas hasta miles de veces mayores que la masa de los electrones libres.

En el estudio mencionado, el singlete se rompió dos veces, en dos magnitudes magnéticas: una dipolar, resultante del momento magnético de la cuasipartícula, y otra cuadripolar, resultante de la interacción entre sus orbitales electrónicos.

El experimento se realizó con el fermión pesado Ce3Pd20Si6, un compuesto formado por cerio (Ce), paladio (Pd) y silicio (Si). Larrea proseguirá las investigaciones con el apoyo de la FAPESP, en el marco del proyecto intitulado Un estudio de estados cuánticos topológicos y exóticos en condiciones extremas.

“El punto de partida para estas transiciones lo constituyen las fuertes correlaciones que los electrones poseen en determinados materiales. Son estas las que nos permiten entender este tipo de alteraciones de estados”, dijo el investigador.

“Existen diversos tipos de interacciones colectivas que pueden afectar a los electrones. Uno de los estados posibles es el que denominamos ‘metal extraño’ [strange metal]. En los fermiones pesados, el transporte de los electrones es análogo al de los metales comunes, pero los electrones aparecen fuertemente correlacionados y se comportan colectivamente como si formasen una sola cuasipartícula que transporta la carga. Pero esto no sucede en la transición de fase cuántica. Por esto se le da el nombre de ‘extraño’ a este estado. Lo que se observa experimentalmente es que las propiedades físicas, como la resistencia eléctrica, por ejemplo, se comportan de manera completamente distinta a aquella que exhiben en el transporte electrónico metálico clásico”, explicó.

Este fenómeno ocurre a temperaturas extremadamente bajas, muy cercanas al cero absoluto. Cuando la temperatura disminuye hasta ese punto, las fluctuaciones termodinámicas prácticamente desaparecen y lo que se observa son fluctuaciones cuánticas. Estas constituyen el “medio” en el cual se manifiestan las interacciones entre los electrones.

“Hasta la publicación de nuestro trabajo, lo que estaba observándose más en los experimentos eran materiales en los cuales la correlación electrónica llevaba hacia un magnetismo ligado al comportamiento de lo que denominamos electrón itinerante y al mismo tiempo localizado. Estos materiales compones el grupo de las tierras raras. En ellos se constituyen los denominados fermiones pesados. Son ‘fermiones’ porque los electrones poseen espines fraccionarios y obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. Y ‘pesados’ porque se correlacionan con una cuasipartícula de gran masa efectiva”, dijo Larrea.

“Estos materiales también poseen un momento magnético. Por eso, además de contar una cuasipartícula que transporta carga, también se asocian a una cuasipartícula con momento magnético blindado por los electrones de conducción. Cada momento magnético blindado puede estar acoplado a su vecino cercano en la red cristalina y producir así un orden magnético en todo el material. En el caso del Ce3Pd20Si6, ese orden es del tipo antiferromagnético, lo que equivale a decir que los momentos magnéticos en la red están acoplados antiparalelamente. En el punto crítico cuántico, ese orden magnético puede ser suprimido sin la influencia de un parámetro de control termodinámico, sino mediante la aplicación de un campo magnético. El singlete Kondo se rompe. Y el electrón que estaba acoplado a ese orden magnético sencillamente se separa”, dijo.

Esto no contradice los fundamentos de la mecánica cuántica, pero es bastante distinto a aquello que se aprende en los textos básicos. Como el momento magnético es definido a partir del espín, la supresión del orden magnético hace que todo pase como si los electrones quedasen desprovistos de espín.

“Este punto crítico cuántico, que se alcanza a partir de un orden magnético, ya había sido reportado en otros trabajos. Lo que diferenció a nuestro trabajo fue que, además del orden magnético dipolar, el material exhibía también un orden magnético cuadripolar generado por los orbitales electrónicos. Por eso nuestro diagrama de fase, que es casi un resumen gráfico de todo el estudio, muestra dos puntos críticos cuánticos: el primero, en el cual se rompe el orden dipolar; y el segundo, en el cual se rompe el orden cuadripolar”, afirmó el investigador.

Larrea hizo hincapié en que, además de este descubrimiento, los resultados de este estudio son importantes también para entender otros problemas pendientes. Por ejemplo, el de saber cómo se organizan colectivamente los electrones para producir superconductividad. “Es necesario que exista un orden colectivo para producir un largo alcance en el transporte. Ciertos tipos de materiales con correlaciones fuertes entre los electrones pueden generarlo. Sabemos ahora que esas correlaciones fuertes pueden suprimirse para favorecer la formación de nuevos estados, que exhiben propiedades físicas medibles incluso a temperaturas distintas al cero absoluto”, dijo.

El próximo paso consistirá en extender la investigación de la alteración de las correlaciones entre electrones mediante el empleo de otro parámetro de control –la presión– para que en el futuro sea posible llegar a un empleo tecnológico de estos conocimientos, en dominios como el de la computación cuántica, por ejemplo.

Puede leerse el artículo intitulado Sequential localization of a complex electron fluid, de Valentina Martelli, Ang Cai, Emilian M. Nica, Mathieu Taupin, Andrey Prokofiev, Chia-Chuan Liu, Hsin-Hua Lai, Rong Yu, Kevin Ingersent, Robert Küchler, André M. Strydom, Diana Geiger, Jonathan Haenel, Julio Larrea, Qimiao Si y Silke Paschen, en el siguiente enlace: www.pnas.org/content/116/36/17701
 

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