Conspiración de electrones en un entramado japonés: los metales kagome desconciertan a la ciencia
Hacia un nuevo tipo de superconductividad
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En los últimos cuatro años, los científicos han descubierto metales cuya estructura cristalina imita la de un patrón tradicional japonés de bambú tejido: los metales kagome. La actividad investigadora internacional en esta nueva dirección de los materiales cuánticos ha alcanzado recientemente un nuevo clímax: un equipo internacional de físicos ha descubierto que la estructura reticular subyacente de los kagome induce la aparición conjunta de intrincados fenómenos cuánticos que pueden dar lugar a un tipo de superconductividad imprevisible. Ronny Thomale, miembro del Cluster de Excelencia Würzburg-Dresden ct.qmat, había predicho teóricamente hace 10 años efectos relacionados en sistemas kagome. Sus ideas han contribuido a sentar las bases sobre las que se entienden e interpretan los experimentos contemporáneos con metales kagome. Ahora se ha publicado en la revista Nature un hito en el descubrimiento experimental de la superconductividad exótica en los metales kagome.
El entramado kagome está compuesto por tres entramados triangulares entrelazados.
Pixelwg, Jörg Bandmann; ct.qmat Cluster of Excellence
Los átomos forman un patrón kagome
Un patrón kagome se compone de tres redes triangulares regulares desplazadas. Como resultado, el entramado kagome es un patrón regular compuesto por estrellas de David. Se trata de un patrón de cestería común en Japón, de donde deriva su nombre. En la física de la materia condensada, los materiales que cristalizan en una red kagome han ganado por primera vez una atención significativa a principios de los años 90. Hasta 2018, cuando se encontró el FeSn como primer metal kagome, los estados electrónicos correlacionados en los materiales kagome se habían concebido típicamente como genéricamente aislantes, y provocaron un enfoque de investigación predominante en las frustraciones magnéticas. El hecho de que los metales kagome pudieran provocar igualmente efectos cuánticos fascinantes ya había sido predicho en 2012 por Ronny Thomale, miembro científico del Clúster de Excelencia Würzburg-Dresden ct.qmat - Complejidad y Topología en la Materia Cuántica.
"Desde el momento de su descubrimiento experimental, los metales kagome han desencadenado una enorme actividad de investigación. En todos los grupos de investigación dedicados al tema en todo el mundo, se ha iniciado la búsqueda de metales kagome con propiedades exóticas. Entre otras ambiciones, se espera conseguir un nuevo tipo de superconductor", explica Thomale, que ocupa la cátedra de física teórica de la materia condensada en la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg, JMU.
Resultados sorprendentes
Un equipo de investigación dirigido por el Instituto Paul Scherrer (Suiza) ha logrado un nuevo descubrimiento en los metales kagome. En el compuesto KV3Sb5, observaron la aparición simultánea de varios fenómenos cuánticos intrincados, que culminan en una fase superconductora con simetría de inversión temporal rota.
"Siempre que hay un indicio de ruptura de la simetría de inversión temporal en un material no magnético, debe haber algún mecanismo nuevo y exótico detrás", dice Thomale. "Sólo una mínima fracción de los superconductores conocidos permitiría distinguir entre moverse 'hacia delante' y 'hacia atrás' en el tiempo. Lo que resulta especialmente sorprendente es la temperatura comparativamente alta, muy por encima de la temperatura de transición superconductora, a la que se produce la ruptura de la simetría temporal detectada experimentalmente en el KV3Sb5. Esto tiene su origen en la onda de densidad de carga electrónica como el supuesto estado padre del superconductor, donde la simetría de inversión temporal ya puede romperse a través de corrientes orbitales. Su aparición está intrínsecamente relacionada con los efectos de la red kagome en la densidad electrónica de estados. En cuanto hay corrientes, el avance y el retroceso en el tiempo adquieren un significado conciso y distinguible, es decir, la dirección del tiempo se vuelve relevante. Esta es una faceta central que subyace a la tremenda fascinación de la comunidad por los metales kagome".
El ascenso anticipado de un nuevo ámbito de investigación
Tras el descubrimiento de los metales kagome magnéticos en 2018, en 2020 se descubrió por primera vez un metal kagome no magnético que presenta tanto el orden de las ondas de densidad de carga como la superconductividad. La presente observación de la ruptura de la simetría de inversión temporal dentro de la fase superconductora y superior representa un nuevo avance para los metales kagome. En concreto, estos hallazgos proporcionan pruebas experimentales de que podría estar en juego un tipo de superconductividad no convencional sin precedentes.
"La demostración de este nuevo tipo de superconductividad en los metales kagome impulsará aún más el auge mundial de la investigación en física cuántica", comenta Matthias Vojta, portavoz en Dresde de la alianza de investigación ct.qmat. "El clúster de excelencia Würzburg-Dresde ct.qmat es uno de los principales centros de investigación de materiales cuánticos del mundo y está idealmente equipado para investigar los metales kagome con una plétora de diferentes técnicas experimentales y teóricas. Estamos especialmente orgullosos de que nuestro miembro Ronny Thomale haya contribuido con un trabajo innovador en este campo".
El profesor Ronny Thomale (39 años) ocupa la Cátedra de Física Teórica I de la JMU desde octubre de 2016 y es uno de los 25 miembros fundadores del clúster de excelencia ct.qmat. En 2012, desarrolló -en paralelo con el grupo de investigación de Qianghua Wang de la Universidad de Nanjing- una teoría que se considera la base crucial para entender los nuevos resultados experimentales sobre los metales Kagome.
Perspectiva
Al demostrar la ruptura de la simetría temporal, se espera tomar este nuevo principio de superconductividad posiblemente encontrado en los metales kagome y trascenderlo al ámbito tecnológicamente interesante de los superconductores de alta temperatura para el transporte de electricidad sin disipación. Los recientes descubrimientos en los metales kagome serán un incentivo para que los investigadores de todo el mundo examinen más de cerca esta nueva clase de materiales cuánticos. A pesar de toda la expectación, todavía no se ha realizado la medición directa de las corrientes orbitales en los metales kagome, que es un reto técnico. Si se logra, esto constituiría otro hito hacia una comprensión más profunda de la forma en que los electrones conspiran en la red kagome para dar lugar a fenómenos cuánticos exóticos.
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