17.03.2020 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Sacudiendo el atasco de tráfico de electrones correlacionados

Un equipo internacional de investigadores de Suiza, Alemania, EE.UU. y Gran Bretaña ha descubierto un comportamiento metálico anómalo en un material cerámico aislante. El equipo utilizó pulsos de luz ultra cortos con una amplia gama de colores para observar lo que sucede cuando el material aislante cuasi bidimensional La2CuO4 (LCO) se convierte en un metal tridimensional a través de la irradiación láser. Sorprendentemente, los investigadores encontraron que vibraciones específicas de la red cristalina están involucradas en este proceso de metalización. Una cuidadosa investigación computacional reveló que las mismas vibraciones que aparecen en esta película ultrarrápida pueden desestabilizar el comportamiento aislante por sí mismas.

El mundo de la física de la materia condensada se vio sacudido cuando Alex Müller y Georg Bednorz informaron de la superconductividad a alta temperatura en un material de óxido de cobre en 1986. Su descubrimiento no sólo llevó a un inmediato Premio Nobel en 1987, sino que también creó el "Woodstock de la Física" en la siguiente reunión de marzo de la Sociedad Americana de Física, que a su vez llegó a la portada del New York Times. Este fue el comienzo de la "fiebre de las altas Tcs", una empresa científica mundial para lograr la superconductividad a temperatura ambiente. Unos treinta años más tarde y contando, los óxidos de cobre siguen planteando interrogantes a los físicos. Aún no se ha llegado a una explicación universalmente aceptada de sus propiedades electrónicas.

Los superconductores convencionales, como el mercurio o el aluminio, son bien conocidos. En ellos, los electrones que se repelen entre sí porque llevan las mismas cargas eléctricas negativas, están unidos por deformaciones de la red cristalina, formada por iones cargados positivamente. Una forma intuitiva de entender por qué sucede esto es la analogía del colchón blando: dos personas que comparten la misma cama terminan inadvertidamente cerca una de la otra porque su peso deforma el colchón. En los materiales convencionales, esta unión de electrones puede convertir un metal normal con resistencia óhmica en un superconductor en el que todos los electrones forman una sopa cuántica que atraviesa un cable sin pérdidas. Sin embargo, este estado superconductor sólo puede producirse si los materiales se enfrían con helio líquido a una temperatura cercana al cero absoluto, un proceso económico que limita el alcance de las aplicaciones para el consumidor.

En los superconductores de alta temperatura, casi todo es diferente. Los que tienen las temperaturas de transición superconductoras más altas requieren sólo nitrógeno líquido para estar lo suficientemente frío para superconducir. Pero cuando no están tan fríos, son malos conductores en lugar de buenos metales. Y en el estado padre, son incluso buenos aislantes con comportamiento magnético - cosas que la sabiduría tradicional dijo a los científicos que serían malas para la superconductividad. Además, durante mucho tiempo se pensó que la red cristalina no estaba involucrada en el mecanismo superconductor. Más bien, se pensaba que la fuerte repulsión de Coulomb que conducía a la localización electrónica - piense en los atascos matutinos en hora punta - en los aislantes de Mott jugaba un papel clave.

Los nuevos resultados del equipo en el que participan grupos de investigación de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), el Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia (MPSD Hamburgo) y el King's College London (KCL), pintan un cuadro ligeramente diferente. En el LCO, uno de los compuestos parentales aislantes de los superconductores de alta temperatura, ciertas vibraciones de la red no sólo acompañan el comportamiento metálico inducido por los pulsos de láser - las vibraciones pueden incluso ayudar en el proceso de metalización. Estos resultados se han publicado ahora en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) y podrían ayudar a diseñar criterios de diseño para optimizar los superconductores de ahorro de energía a temperaturas récord.

El primer autor del estudio, el experimentalista Edoardo Baldini, que llevó a cabo el experimento como estudiante de doctorado en el grupo de Fabrizio Carbone en la EPFL y ahora es un investigador postdoctoral en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, explica: "Estábamos explorando cómo inducir la transición de aislante a metal en LCO con pulsos ultracortos de radiación láser. En algún momento encontramos una metalización extremadamente rápida a lo largo de todos los ejes cristalográficos del LCO, y el material reflejó repentinamente la luz en colores que inicialmente no se reflejaban". Un análisis más cuidadoso de las instantáneas ultrarrápidas trajo entonces una sorpresa: "Vimos interesantes oscilaciones en la señal", añade Baldini. "La red cristalina temblaba a las frecuencias vibratorias características cuando el LCO se transformó en un metal y se recuperó a su estado aislante".

Intrigados por su descubrimiento, los experimentadores compartieron estos hallazgos con los teóricos de Hamburgo. Thomas Brumme, entonces un postdoctorado en Hamburgo y ahora en la Universidad de Leipzig, junto con el Director de Teoría del MPSD, Ángel Rubio, y el líder del grupo de investigación del Emmy Noether, Michael Sentef, decidieron primero computar las vibraciones relevantes de la red cristalina. Con los datos experimentales y los modos vibratorios computados, Sentef se puso en contacto con el grupo de KCL, que son expertos en computar los espectros electrónicos y ópticos de materiales complejos. "Queríamos saber qué sucede cuando el cristal de LCO se deforma a lo largo de las mismas coordenadas vibratorias para las que los experimentadores vieron el temblor en sus películas", dice Sentef. "Tenía que haber algo especial en esas vibraciones de la red".

Los resultados del experimento computacional Gedankenexperiment fueron sorprendentes. "Esperábamos que las posiciones de la red tuvieran alguna influencia en los espectros electrónicos", dice Cédric Weber, profesor titular de KCL. "Pero nos sorprendió lo mucho que cambiaron los espectros cuando miramos las estructuras desplazadas. De hecho, para exactamente los mismos modos de vibración observados en los experimentos, el LCO se vuelve metálico. El aparentemente robusto estado de aislamiento correlacionado no es tan robusto como los investigadores han pensado durante décadas."

Estos nuevos conocimientos destacan el papel de la red cristalina incluso en sistemas de electrones fuertemente correlacionados. Sugieren que podemos necesitar revisar nuestra actual comprensión de estos materiales, donde las pequeñas deformaciones del cristal se han considerado irrelevantes durante mucho tiempo. Rubio ve esto no como un desafío en una historia que ya está plagada de complicaciones, sino como una oportunidad: "Ser capaz de cambiar las propiedades fundamentales de los materiales excitantes es un gran impulso para nuestra investigación", dice. "Siempre estamos buscando formas eficientes de controlar la superconductividad y otras características importantes de los materiales. Si identificamos las perillas de sintonía correctas, pueden ser usadas en futuras tecnologías cuánticas".

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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