26.05.2021 - Technische Universität Wien

Descubierto un nuevo material cuántico

Un equipo de investigadores ha dado con una sorprendente forma de "criticidad cuántica". Esto podría conducir a un concepto de diseño para nuevos materiales

En la vida cotidiana, las transiciones de fase suelen estar relacionadas con los cambios de temperatura, por ejemplo, cuando un cubito de hielo se calienta y se funde. Pero también hay diferentes tipos de transiciones de fase, que dependen de otros parámetros, como el campo magnético. Para entender las propiedades cuánticas de los materiales, las transiciones de fase son especialmente interesantes cuando se producen directamente en el punto cero absoluto de temperatura. Estas transiciones se denominan "transiciones de fase cuánticas" o "puntos críticos cuánticos".

Un equipo de investigación austriaco-estadounidense ha descubierto un punto crítico cuántico de este tipo en un nuevo material, y en una forma inusualmente prístina. Ahora se están investigando las propiedades de este material. Se sospecha que el material podría ser un semimetal de Weyl-Kondo, que se considera que tiene un gran potencial para la tecnología cuántica debido a los estados cuánticos especiales (los llamados estados topológicos). Si esto resulta ser cierto, se habría encontrado una clave para el desarrollo específico de materiales cuánticos topológicos. Los resultados se obtuvieron en una cooperación entre la Universidad Técnica de Viena, la Universidad Johns Hopkins, el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y la Universidad Rice, y se han publicado en la revista "Science Advances".

La criticidad cuántica, más sencilla y clara que nunca

"Normalmente, el comportamiento crítico cuántico se estudia en metales o aislantes. Pero ahora hemos estudiado un semimetal", afirma la profesora Silke Bühler-Paschen, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. El material es un compuesto de cerio, rutenio y estaño, con propiedades que se sitúan entre las de los metales y las de los semiconductores.

Normalmente, la criticidad cuántica sólo puede crearse en condiciones ambientales muy específicas: una determinada presión o un campo electromagnético. "Sin embargo, sorprendentemente, nuestro semimetal resultó ser crítico cuántico sin ninguna influencia externa", dice Wesley Fuhrman, estudiante de doctorado del equipo del profesor Collin Broholm en la Universidad Johns Hopkins, que hizo una importante contribución al resultado con mediciones de dispersión de neutrones. "Normalmente hay que trabajar mucho para producir las condiciones de laboratorio adecuadas, pero este semimetal proporciona la criticidad cuántica por sí mismo".

Este sorprendente resultado está probablemente relacionado con el hecho de que el comportamiento de los electrones en este material tiene algunas características especiales. "Se trata de un sistema de electrones altamente correlacionados. Esto significa que los electrones interactúan fuertemente entre sí, y que no se puede explicar su comportamiento mirando a los electrones individualmente", dice Bühler-Paschen. "Esta interacción de los electrones da lugar al llamado efecto Kondo. En este caso, un espín cuántico en el material es protegido por los electrones que lo rodean, de modo que el espín ya no tiene ningún efecto sobre el resto del material".

Si hay relativamente pocos electrones libres, como ocurre en un semimetal, el efecto Kondo es inestable. Esta podría ser la razón del comportamiento crítico cuántico del material: el sistema fluctúa entre un estado con y otro sin el efecto Kondo, y esto tiene el efecto de una transición de fase a temperatura cero.

Las fluctuaciones cuánticas podrían dar lugar a partículas de Weyl

La razón principal por la que el resultado tiene tanta importancia es que se sospecha que está estrechamente relacionado con el fenómeno de los "fermiones de Weyl". En los sólidos, los fermiones de Weyl pueden aparecer en forma de cuasipartículas, es decir, como excitaciones colectivas, como las ondas en un estanque. Según las predicciones teóricas, estos fermiones de Weyl deberían existir en este material", afirma el físico teórico Qimiao Si, de la Universidad de Rice. Sin embargo, aún no se han encontrado pruebas experimentales. "Sospechamos que la criticidad cuántica que observamos favorece la aparición de estos fermiones de Weyl", afirma Silke Bühler-Paschen. "Por tanto, las fluctuaciones críticas cuánticas podrían tener un efecto estabilizador en los fermiones de Weyl, de forma similar a las fluctuaciones críticas cuánticas en los superconductores de alta temperatura que mantienen unidos los pares de Cooper superconductores. Esta es una cuestión muy fundamental que es objeto de mucha investigación en todo el mundo, y aquí hemos descubierto una nueva pista caliente".

Nos parece que ciertos efectos cuánticos -a saber, las fluctuaciones críticas cuánticas, el efecto Kondo y los fermiones Weyl- están estrechamente entrelazados en el material recién descubierto y, juntos, dan lugar a los exóticos estados Weyl-Kondo. Se trata de estados "topológicos" de gran estabilidad que, a diferencia de otros estados cuánticos, no pueden ser destruidos fácilmente por perturbaciones externas. Esto los hace especialmente interesantes para los ordenadores cuánticos.

Para verificar todo esto, se llevarán a cabo más mediciones bajo diferentes condiciones externas. El equipo espera encontrar una interacción similar de los distintos efectos cuánticos en otros materiales. "Esto podría conducir al establecimiento de un concepto de diseño con el que tales materiales puedan ser mejorados específicamente, adaptados y utilizados para aplicaciones concretas", dice Bühler-Paschen.

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