20.01.2020 - Technische Universität Wien

Una nueva mirada a los "metales extraños

Desde hace años, en la TU Wien (Viena) se ha desarrollado un nuevo método de síntesis para desvelar los secretos de los "metales extraños". Ahora se ha logrado un gran avance.

Los superconductores permiten que la corriente eléctrica fluya sin ninguna resistencia, pero sólo por debajo de una cierta temperatura crítica. Muchos materiales tienen que ser enfriados hasta casi el cero absoluto, mientras que algunos materiales mantienen sus propiedades superconductoras hasta temperaturas mucho más altas. Cómo funciona esta "superconductividad de alta temperatura" y cómo es posible desarrollar nuevos materiales que sean superconductores incluso a temperatura ambiente normal es todavía uno de los grandes misterios de la física moderna.

La clave del éxito podría ser la investigación sobre "metales extraños". Se trata de materiales especiales cuya resistencia eléctrica muestra un comportamiento de temperatura muy inusual. Este fenómeno está estrechamente relacionado con la superconductividad: muchas clases de superconductores de alta temperatura exhiben este comportamiento de "metal extraño". Ahora se ha producido un gran avance: un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena (Austria) y de la Universidad de Rice (Houston, Texas) ha desarrollado un nuevo proceso que permite producir capas extremadamente finas de estos materiales y analizarlas ópticamente. De esta manera, se obtienen datos importantes sobre estos materiales que no pueden medirse de otra manera, lo que puede conducir al desarrollo de mejores materiales y nuevas teorías de superconductividad a alta temperatura.

Los metales extraños como la clave de la superconductividad

"Ya en 1987 se concedió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura, pero aún hoy en día nuestra comprensión de este fenómeno es pobre", dice la Prof. Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Viena. "Sin embargo, sabemos que los metales extraños están estrechamente relacionados con esta clase de superconductores tecnológicamente importante". Por encima de su temperatura crítica, los superconductores de alta temperatura muestran una relación entre la temperatura y la resistencia que es completamente diferente de la de los metales ordinarios. "A diferencia de los metales simples como el cobre o el oro, la resistencia eléctrica en los metales extraños no parece ser causada por el movimiento térmico de los átomos, sino por ciertas fluctuaciones cuánticas", dice Bühler-Paschen.

Para confirmar esta suposición y para saber más sobre la naturaleza de las fluctuaciones cuánticas, no sólo debe investigarse la dependencia de la temperatura de la resistencia, sino también su dependencia de la frecuencia. La mejor manera de hacerlo es irradiando el material con luz en el rango de frecuencia apropiado.

Para las investigaciones se seleccionó un material hecho de iterbio, rodio y silicio (YbRh2Si2), conocido por su comportamiento de "metal extraño" particularmente pronunciado. Para estudiar este material, se requiere una radiación en el rango de terahercios.

"En este punto, las cosas se volvieron tecnológicamente desafiantes", dice Silke Bühler-Paschen. "Las mediciones de alta precisión sólo son posibles en la transmisión, es decir, cuando el material es penetrado por la radiación de terahercios. Mientras que los materiales aislantes eléctricos suelen permitir el paso de la radiación de terahercios, los metales reflejan y absorben fuertemente este tipo de radiación. Sólo si se dispone de una capa extremadamente delgada del material, pasará suficiente radiación de terahercios y así se podrán realizar mediciones precisas".

Desarrollo de un nuevo proceso de fabricación

En los laboratorios de la sala blanca de la Universidad Técnica de Viena se desarrolló un nuevo y complejo proceso de epitaxia de haces moleculares para producir capas finas de este material: "El iterbio, el rodio y el silicio se evaporan en la proporción exacta. Átomo por átomo, estos materiales inciden en un sustrato", dice Maxwell Andrews (Instituto de Electrónica de Estado Sólido, Universidad Técnica de Viena). "Si todos los parámetros se establecen correctamente, YbRh2Si2 crece en capas atómicas. Si se elige la duración adecuada del proceso de crecimiento, se puede lograr exactamente el grosor de capa deseado".

"El avance decisivo fue encontrar un sustrato perfectamente adecuado para aplicar estas capas, a saber, el germanio", dice Lukas Prochaska, uno de los tres doctorandos más destacados del equipo. "La estructura cristalina del germanio se ajusta geométricamente a la disposición de los átomos de Ytterbium. Esto nos permitió cultivar películas delgadas de excelente calidad".

Comprensión del movimiento de los portadores de carga

El estudiante de doctorado Xinwei Li, del grupo Kono de la Universidad de Rice, realizó entonces mediciones de tetahertz de alta precisión en las películas delgadas. El análisis de los datos, en el que el teórico de Rice Qimiao Si también desempeñó un papel importante, aportó nuevas pruebas decisivas: "Nuestra suposición de que las fluctuaciones de carga cuánticas críticas juegan un papel importante se ha confirmado ahora", dice Silke Bühler-Paschen. "Hemos cerrado el círculo aquí: En 2004, pudimos demostrar que el comportamiento de "metal extraño" en este material va acompañado de un cambio repentino en la concentración de portadores de carga. En ese momento, Qimiao Si y yo ya habíamos reconocido la necesidad de realizar mediciones dinámicas, pero la tecnología para realizarlas no estaba disponible. Ahora por fin pudimos escudriñar y comprender este proceso".

Los nuevos resultados indican cómo describir estos inusuales efectos materiales. "Nuestras nuevas ideas también pueden ser transferidas a otras clases de superconductores de alta temperatura", explica Bühler-Paschen. "Esperamos que esto conduzca a una nueva teoría de superconductividad de alta temperatura, y al diseño de mejores superconductores con temperaturas críticas aún más altas; esto sería un tremendo éxito tecnológico".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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