18.12.2019 - Universität Augsburg

Metal con propiedades inusuales

Una cooperación de investigación chino-alemana en la que participa la Universidad de Augsburgo ha demostrado propiedades en un metal que no pueden explicarse con la teoría estándar. Los resultados se obtuvieron en un compuesto metálico especial con características magnéticas inusuales - los científicos lo llaman frustración magnética. La cooperación observó un novedoso "comportamiento crítico cuántico" en el metal a muy bajas temperaturas y a altas presiones y fuertes campos magnéticos.

Los metales son elementos o compuestos que conducen la corriente eléctrica. Como ya identificó el brillante físico ruso Lev Landau en los años 50, sus propiedades pueden ser interpretadas como si los portadores de carga de movimiento casi independiente actuaran. Landau las llamó "cuasipartículas" para indicar que describen un estado colectivo solamente, en contraste con los electrones ordinarios.

Sin embargo, en los últimos años, los materiales con propiedades más complejas y que no pueden ser descritas por el modelo de cuasipartículas de Landau han estado llamando la atención. Esto también incluye los superconductores de alta temperatura que son interesantes para sus aplicaciones potenciales. El cuadro de cuasi partículas se rompe cuando el estado de tierra de un metal - su fase - cambia en caso de una perturbación externa, como la aplicación de presión o un campo magnético. Este cambio puede ser, por ejemplo, que los momentos magnéticos en el metal (en términos simplificados: los imanes elementales) apunten en direcciones completamente diferentes hasta las temperaturas más bajas (normalmente se alinean a bajas temperaturas, es decir, están en un estado ordenado). El resultado es un exótico estado metálico, el punto crítico cuántico, llamado así porque normalmente sólo se produce bajo condiciones estrictamente definidas en lo que se conoce como diagrama de fase. Los puntos críticos cuánticos subyacen a fases inusuales como la superconductividad de alta temperatura.

El equipo chino-alemán ha demostrado por primera vez con mediciones cómo no sólo un punto individual, sino un área entera en el diagrama de fase puede mostrar el comportamiento cuántico-crítico del ser. Para ello, han examinado un compuesto metálico compuesto por los elementos cerio, paladio y aluminio (abreviatura química: CePdAl) a través de un estudio detallado. El grupo de Augsburgo dirigido por el Prof. Dr. Philipp Gegenwart ha investigado la capacidad calorífica de muestras contaminadas intencionadamente (dopadas) con átomos de átomos extraños a bajas temperaturas. Los investigadores dirigidos por el Prof. Dr. Peijie Sun del Instituto de Física de Pekín también midieron cómo cambia la resistencia eléctrica del CePdAl bajo presión y en un campo magnético.

Al combinar todos los datos, la cooperación pudo demostrar que el CePdAl tiene un área crítica más amplia en lugar de un punto crítico singular. Los investigadores sospechan que esto se debe al especial ar-rangement de los momentos magnéticos en el CePdAl. Los átomos de cerio, responsables del magnetismo, están dispuestos en una especie de patrón triangular. La consecuencia de este patrón es un fenómeno especial, la "frustración magnética".

Los electrones de cerio se comportan como pequeños imanes y quieren alinear sus polos magnéticos con sus vecinos más cercanos a bajas temperaturas. En el compuesto CePdAl, sin embargo, la habitual alineación mutua anti-paralela es imposible debido a una disposición triangular. Sólo dos imanes en el triángulo pueden ser antiparalelos entre sí, el tercero no puede ser antiparalelo a los dos al mismo tiempo. "Sospechamos que este efecto de frustración estabiliza el área del critocrito cuántico", explica Gegenwart.

El éxito del estudio es el resultado de una cooperación entre institutos de Alemania y China, apoyada por la Fundación Alemana de Investigación (Deutsche Forschungsgemeinschaft - DFG) y su organización socia china. Los resultados no sólo son importantes para la investigación fundamental, sino que también son relevantes para una mejor comprensión de la superconductividad de alta temperatura y otros fenómenos con potencial para diversas aplicaciones.

La frustración magnética podría ser la clave para comprender los estados metálicos críticos que se han observado anteriormente en otros materiales. "Esta importante conclusión sólo ha sido posible gracias a las mediciones altamente sensibles de Augsburgo y Pekín", dijo el Prof. Dr. Alois Loidl de la Universidad de Augsburgo, portavoz alemán del proyecto de cooperación chino-alemán. El "Grupo de Cooperación Sino-Alemana" con grupos de Hangzhou, Pekín, Frankfurt y Augsburgo permite un intenso intercambio científico de los grupos de trabajo participantes en China y Alemania, promoviendo así una excelente investigación de vanguardia.

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