Un estudio muestra nuevos aspectos de la transición de fase metal-aislante

En la investigación se describe un escenario en el cual “charcos” metálicos no polarizados y distribuidos aleatoriamente se encuentran inmersos en una matriz aislante polarizada

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Las transiciones de fases son fenómenos presentes en el cotidiano. Las más conocidas son las transiciones de fase del agua entre el estado sólido, el líquido y el gaseoso. Una transición de fase sobre la cual ha recaído el enfoque de diversas investigaciones científicas es la denominada “transición de Mott”. El nombre que se le asigna a este fenómeno homenajea al físico británico Sir Nevill Francis Mott (1905-1996), premio Nobel de Física en 1977. Esta transición sucede cuando un sistema metálico, es decir, un sistema que posee electrones itinerantes, y que por ello conduce la corriente eléctrica, se vuelve aislante. Esto sucede debido a la variación de parámetros externos, tales como la presión o el dopaje.

“Cuando el parámetro de control alcanza un valor crítico, los electrones se localizan y queda entonces establecida la fase aislante. En suma, una transición metal-aislante de Mott genuina ocurre cuando la razón entre dos escalas de energía, la repulsión coulombiana entre los electrones y el ancho de la banda electrónica, llega a un valor crítico”, explica Mariano de Souza, docente del Departamento de Física de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) en su campus de la localidad de Rio Claro, en Brasil.

De Souza fue el coordinador de un estudio, publicado en el Journal of Applied Physics, que reporta nuevos aspectos referentes a la transición de Mott. Dicho estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del proyecto regular intitulado “Investigación de las propiedades termodinámicas y de transporte de sistemas electrónicos fuertemente correlacionados”, bajo la conducción del científico.

“Nuestro estudio se concentró en la comprensión de la física en la región de coexistencia de la fase metálica y la fase aislante, cercana al punto crítico. En esta zona, se incorporan ‘charcos’ metálicos a una matriz aislante. Existe una línea de transición que termina en el punto crítico”, informa el investigador.

El destacado del estudio es la demostración de la zona de coexistencia como una fase electrónica en la cual “charcos” metálicos no polarizados, distribuidos aleatoriamente, se encuentran inmersos en una matriz aislante polarizada. Se trata de una analogía con la “fase magnética de Griffiths”, postulada por el físico estadounidense Robert Griffiths en el año 1969.

“Demostramos que, al acercarse a la línea de transición de fase de primer orden, el tiempo de relajación del sistema aumenta ostensiblemente. Esto indica una merma de la dinámica asociada a las excitaciones electrónicas. Este hecho, junto con el desorden espacial aleatorio debido a la presencia de ‘charcos’ metálicos en la matriz aislante, derivó en nuestra propuesta de la zona de coexistencia de fases metal-aislante de Mott como una fase electrónica tipo Griffiths”, afirma De Souza.

Los autores del estudio asociaron también a este fenómeno el “parámetro eléctrico de Grüneisen”, que cuantifica el efecto electrocalórico, es decir, la variación de temperatura como respuesta a la variación del campo eléctrico externo en condiciones adiabáticas, esto es, sin intercambio de calor con el ambiente. “Dicho parámetro permite inferir que ocurre un significativo efecto electrocalórico cuando el sistema se acerca a la línea de transición de fase de primer orden y al punto crítico”, comenta De Souza.

El artículo ahora publicado constituye una parte de las tesis doctorales de Isys Mello y Lucas Squillante, ambos dirigidos por el profesor Mariano de Souza. El investigador Antonio Seridonio (Unesp – Campus de Ilha Solteira) y el doctorando Gabriel Gomes (Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo, IAG-USP) también suscriben el paper.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Griffiths-like phase close to the Mott transition en el siguiente vínculo: aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0018604.