Una cuasipartícula resuelve el misterio de la conductividad evanescente
Un equipo del CAU detecta por primera vez polarones en un compuesto de tierras raras
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Los electrones determinan las propiedades de todos los materiales: deciden si un metal conduce la electricidad, cómo funciona un semiconductor o qué efectos magnéticos se producen. En algunos materiales, los electrones se comportan de un modo especialmente inusual: cambian de un estado a otro, se influyen mutuamente e incluso pueden hacer que un metal se convierta de repente en un aislante, es decir, en una sustancia que deja de conducir la electricidad.
Un equipo internacional dirigido por el Dr. Chul-Hee Min y el Profesor Kai Rossnagel de la Universidad de Kiel (CAU) ha descifrado ahora un mecanismo crucial. En un compuesto de tulio, selenio y telurio (TmSe₁₋ₓTeₓ), los investigadores investigaron un material basado en un metal de tierras raras (el tulio). Estos metales tienen propiedades electrónicas especiales que se utilizan en muchas tecnologías clave.
El equipo descubrió en el material una cuasipartícula desconocida hasta entonces. Se crea por la interacción de electrones y átomos y explica por qué el material cambia sus propiedades eléctricas. Los investigadores publican sus hallazgos en la revista Physical Review Letters.
Cuando los metales se convierten de repente en aislantes
Si la proporción de telurio en el compuesto TmSe₁₋ₓTeₓ aumenta hasta alrededor del 30%, el material deja de conducir la electricidad y se transforma de semimetálico en aislante. Estas transiciones fascinan a los físicos porque demuestran que las propiedades de un material no pueden explicarse únicamente por su composición química. Los electrones se influyen fuertemente entre sí, se acoplan a las vibraciones de la red cristalina -la red regular de átomos del sólido- y juntos forman estados similares a partículas con nuevas propiedades, las llamadas cuasipartículas.
Los investigadores analizaron el material a nivel atómico para comprender estos procesos. Para ello utilizaron espectroscopia de fotoemisión de alta resolución en varias fuentes de radiación sincrotrón de todo el mundo, entre ellas el Laboratorio Ruprecht Haensel, una instalación conjunta de la Universidad de Kiel y el Sincrotrón Alemán de Electrones DESY. Irradiaron la muestra con rayos X intensos y midieron los ángulos de salida y las energías de los electrones. Los espectros muestran la fuerza con la que los electrones están ligados en determinados estados y proporcionan información sobre los procesos de interacción subyacentes.
Descubrimiento de los polarons
Las mediciones espectroscópicas revelaron nuevos detalles sobre el movimiento de los electrones en el material: seguía apareciendo una pequeña señal adicional, que parecía un pequeño bulto junto a la señal principal. Al principio, los investigadores pensaron que se trataba de una mancha técnica, pero la señal también aparecía en mediciones repetidas. Este fenómeno recurrente llevó al equipo de Kiel a investigar sistemáticamente la historia y el comportamiento del material durante años, una búsqueda de pistas que finalmente condujo al descubrimiento de las cuasipartículas.
El primer autor, el Dr. Chul-Hee Min, empezó a investigar el TmSe₁₋ₓTeₓ en 2015. Al principio buscaba estados topológicos superficiales, más tarde se centró en el comportamiento electrónico dentro del material. Durante mucho tiempo, la señal adicional junto al pico principal siguió siendo un misterio sin resolver.
Sólo tras años de análisis y estrecha colaboración con teóricos internacionales, el equipo identificó la causa: la señal procedía de los polarons, cuasipartículas en las que un electrón está estrechamente acoplado a las vibraciones de la red cristalina. El electrón se desplaza junto con la distorsión de los átomos y forma así una nueva partícula compuesta. En su investigación, los científicos utilizaron el modelo periódico de Anderson, un modelo teórico que describe cómo interactúan los electrones entre sí en este tipo de metales. Al ampliar el modelo para incluir el acoplamiento de los electrones a las vibraciones de la red cristalina, pudieron explicar con precisión las mediciones espectroscópicas. "Ese fue el paso decisivo", explica Min. "En cuanto incluimos esta interacción en los cálculos, la simulación y las mediciones encajaron a la perfección".
Polarons: la danza de electrones y átomos
Un polarón puede describirse vívidamente como una especie de "baile" entre un electrón y los átomos que lo rodean. En los metales ordinarios, los electrones fluyen casi libremente. En este material, sin embargo, se mueven junto a capas atómicas ligeramente distorsionadas, comparable a una abolladura que recorre la red cristalina. Este acoplamiento frena a los electrones, cambia la conductividad eléctrica y explica la transición a un aislante.
"En materiales cuánticos como el TmSe₁₋ₓTeₓ, cuyas exóticas propiedades se derivan de las propiedades mecánicas cuánticas de sus electrones, este efecto aún no se había demostrado experimentalmente", afirma el profesor Kai Rossnagel, director del Instituto de Física Experimental y Aplicada (IEAP) de la Universidad de Kiel y portavoz del centro de investigación KiNSIS - Kiel Nano, Surface and Interface Science. "El hecho de que hayamos podido visualizarlo aquí por primera vez demuestra qué nuevos fenómenos interesantes pueden descubrirse aún en el cosmos cuántico de los materiales".
Potencial para la microelectrónica y la tecnología cuántica Los hallazgos tienen repercusiones más allá del material investigado. Efectos de acoplamiento similares se dan en muchos materiales cuánticos modernos, desde los superconductores de alta temperatura hasta los materiales 2D. En el futuro, los investigadores podrían utilizar los polarones de forma selectiva para controlar las propiedades electrónicas, ópticas o magnéticas de los materiales o para crear estados de la materia totalmente nuevos.
"Este tipo de descubrimientos suelen surgir de una investigación básica persistente", afirma Rossnagel. "Pero son precisamente los que pueden dar lugar a nuevas tecnologías a largo plazo".
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 Alemán se puede encontrar aquí.
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