16.03.2021 - Technische Universität Wien

¿Cómo se estropean los metales buenos?

Nuevas mediciones han resuelto un misterio de la física del estado sólido: ¿cómo es que ciertos metales no parecen cumplir las reglas válidas?

Todos tenemos una imagen clara en mente cuando pensamos en los metales: Pensamos en objetos sólidos e irrompibles que conducen la electricidad y presentan un brillo metálico típico. El comportamiento de los metales clásicos, por ejemplo su conductividad eléctrica, puede explicarse con teorías físicas bien conocidas y probadas.

Pero también hay compuestos metálicos más exóticos que plantean enigmas: Algunas aleaciones son duras y frágiles, y los óxidos metálicos especiales pueden ser transparentes. Incluso hay materiales que se encuentran justo en la frontera entre el metal y el aislante: pequeños cambios en la composición química convierten el metal en un aislante, o viceversa. En estos materiales se producen estados metálicos con una conductividad eléctrica extremadamente pobre; son los llamados "metales malos". Hasta ahora, parecía que estos "metales malos" no podían explicarse con las teorías convencionales. Nuevas mediciones demuestran ahora que estos metales no son tan "malos" después de todo. Tras un examen más detallado, su comportamiento encaja perfectamente con lo que ya sabíamos sobre los metales.

Pequeño cambio, gran diferencia

El profesor Andrej Pustogow y su grupo de investigación del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena investigan materiales metálicos especiales: pequeños cristales cultivados especialmente en el laboratorio. "Estos cristales pueden adoptar las propiedades de un metal, pero si se varía un poco la composición, de repente nos encontramos con un aislante que deja de conducir la electricidad y es transparente como el vidrio a determinadas frecuencias", dice Pustogow.

Justo en esta transición, uno se encuentra con un fenómeno inusual: la resistencia eléctrica del metal se vuelve extremadamente grande -mayor, de hecho, de lo que debería ser posible en absoluto según las teorías convencionales. "La resistencia eléctrica tiene que ver con la dispersión de los electrones entre sí o en los átomos del material", explica Andrej Pustogow. Según este punto de vista, la mayor resistencia eléctrica posible debería producirse si el electrón se dispersa en cada uno de los átomos en su camino a través del material; después de todo, no hay nada entre un átomo y su vecino que pueda desviar al electrón de su camino. Pero esta regla no parece aplicarse a los llamados "metales malos": Muestran una resistencia mucho mayor que la que permitiría este modelo.

Todo depende de la frecuencia

La clave para resolver este rompecabezas es que las propiedades del material dependen de la frecuencia. "Si sólo se mide la resistencia eléctrica aplicando una tensión continua, sólo se obtiene un único número: la resistencia a frecuencia cero", dice Andrej Pustogow. "Nosotros, en cambio, hicimos mediciones ópticas utilizando ondas de luz con diferentes frecuencias".

Esto demostró que los "metales malos" no son tan "malos" después de todo: A bajas frecuencias apenas conducen corriente, pero a frecuencias más altas se comportan como cabría esperar de los metales. El equipo de investigación considera como posible causa la existencia de pequeñas cantidades de impurezas o defectos en el material, que ya no pueden ser protegidos adecuadamente por un metal en el límite con un aislante. Estos defectos pueden hacer que algunas zonas del cristal dejen de conducir la electricidad porque allí los electrones permanecen localizados en un lugar determinado en lugar de moverse por el material. Si se aplica una tensión continua al material para que los electrones puedan moverse de un lado a otro del cristal, entonces prácticamente todos los electrones acabarán chocando con esa región aislante y apenas podrá circular la corriente.

En cambio, con una frecuencia de corriente alterna elevada, cada electrón se mueve continuamente de un lado a otro, no recorre una gran distancia en el cristal porque va cambiando de dirección. Esto significa que en este caso muchos electrones ni siquiera entran en contacto con una de las regiones aislantes del cristal.

La esperanza de nuevos e importantes pasos

"Nuestros resultados demuestran que la espectroscopia óptica es una herramienta muy importante para responder a cuestiones fundamentales de la física del estado sólido", afirma Andrej Pustogow. "Muchas observaciones para las que antes se creía que había que desarrollar modelos exóticos y novedosos podrían explicarse muy bien con las teorías existentes si se ampliaran adecuadamente. Nuestro método de medición muestra dónde son necesarias las ampliaciones". Ya en estudios anteriores, el profesor Pustogow y sus colegas internacionales obtuvieron importantes conocimientos sobre la región límite entre el metal y el aislante, opens an external URL in a new window utilizando métodos espectroscópicos, estableciendo así un fundamento para la teoría, opens an external URL in a new window.

El comportamiento metálico de los materiales sometidos a fuertes correlaciones entre los electrones es también especialmente relevante para la llamada "superconductividad no convencional", un fenómeno que se descubrió hace medio siglo pero que aún no se comprende del todo.

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