02.09.2020 - Technische Universität Wien

¡Atención, el electrón es demasiado rápido!

¿Por qué a veces las diferentes mediciones de las propiedades materiales dan resultados diferentes?

Es muy difícil tomar una foto de un colibrí agitando sus alas 50 veces por segundo. El tiempo de exposición tiene que ser mucho más corto que la escala de tiempo característica del batido de las alas, de lo contrario sólo se verá un borroso colorido. Un problema muy similar se encuentra en la física del estado sólido, donde el objetivo es determinar las propiedades magnéticas de un material. El momento magnético en un determinado lugar puede cambiar muy rápidamente. Por lo tanto, se necesitan métodos de medición que sean lo suficientemente rápidos para resolver estas fluctuaciones. Con esta idea básica en mente, los científicos de la Universidad Técnica de Viena, en colaboración con grupos de investigación de Würzburg (Alemania), han logrado resolver un rompecabezas de la física del estado sólido.

Magnetismo y superconductividad

"Si quieres entender un material, tienes que entender sus propiedades magnéticas", dice el Prof. Alessandro Toschi del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. "No sólo nos dicen cómo reacciona el material a los campos magnéticos, sino que también están estrechamente relacionados con otras propiedades del material - por ejemplo, su comportamiento eléctrico." Las propiedades del material magnético juegan un papel particularmente importante en la búsqueda de superconductores de alta temperatura.

Sin embargo, se encontró repetidamente que diferentes medidas del magnetismo de ciertos materiales conducen a resultados diferentes. "A veces no se obtuvieron resultados significativos en absoluto, a veces los diferentes métodos de medición condujeron a datos contradictorios", dice Clemens Watzenböck (Instituto de Física del Estado Sólido, TU Wien). "Ahora fuimos capaces de resolver este misterio con cálculos puramente teóricos."

La movilidad de los electrones

El equipo de Viena y Würzburg pudo demostrar que la movilidad de los electrones en el material determina los métodos que se pueden utilizar para medir las propiedades magnéticas. "El giro de los electrones en el material causa un momento magnético que fluctúa de forma bastante espontánea. Estas fluctuaciones magnéticas son causadas por el movimiento natural de los electrones. Por lo tanto, el momento magnético también puede ser cancelado muy rápidamente por el movimiento de los electrones", dice Toschi. "Cuanto más rápido se muevan los electrones en el interior del material, más rápido podrán ocultar la ocurrencia de un momento magnético."

Esto significa que si hay un proceso en el material que ralentiza los electrones - por ejemplo, una fuerte dispersión con otros electrones o con los átomos vibrantes del material de modo que ya no pueden moverse muy rápido en el cristal - entonces el momento magnético correspondiente permanece medible durante mucho más tiempo.

"Hemos desarrollado un método que nos permite averiguar, mediante refinados análisis teóricos y simulaciones numéricas, en qué escala de tiempo típica están blindados los momentos magnéticos en un material determinado", explica Watzenböck. El momento magnético sólo puede medirse si se dispone de un método de medición que produzca un resultado en una escala temporal más corta. Si la medición toma más tiempo, sólo se obtiene un resultado promedio borroso - similar a cuando se fotografía un colibrí con un largo tiempo de exposición.

Los superconductores de hierro

El equipo de investigación fue capaz de aplicar este enfoque a la clase de material particularmente importante de superconductores basados en hierro. "Pudimos mostrar que la escala de tiempo característica de las fluctuaciones magnéticas en estos superconductores difiere en un orden de magnitud dependiendo del material - va desde unos 3 femtosegundos a unos 30 femtosegundos", informa Clemens Watzenböck.

Esto explica por qué los resultados de los experimentos con neutrones inelásticos son fáciles de interpretar para algunos materiales y no para otros: La escala de tiempo de tales experimentos con neutrones es de unos 10 femtosegundos. Lo suficientemente corto para algunos materiales, pero demasiado largo para otros. Si, por otra parte, se utilizan otros métodos de medición, como la espectroscopia de rayos X, que opera en una escala de tiempo más corta, el momento magnético de todos estos materiales debería permanecer claramente visible.

El nuevo método de cálculo de las escalas de tiempo características de los materiales puede aplicarse no sólo a las propiedades magnéticas sino también a otras propiedades importantes de los materiales. "Asumimos que nuestro nuevo método será muy útil en el futuro para planificar e interpretar correctamente una amplia variedad de experimentos espectroscópicos", dice Alessandro Toschi, "Todavía hay muchas preguntas abiertas en este campo - con nuestro método ahora queremos entender mejor la física de los materiales conocidos e incluso facilitar la búsqueda de nuevos y mejores materiales, como los superconductores con altas temperaturas críticas".

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