Un equipo de investigadores estadounidenses y chinos ha encontrado un comportamiento metálico extraño en un material en el que la carga eléctrica no es transportada por electrones, sino por entidades similares a ondas llamadas pares de Cooper.
Los “metales extraños” son una clase de materiales que están relacionados con los superconductores de alta temperatura y comparten atributos cuánticos fundamentales con los agujeros negros. Estos materiales no parecen seguir las reglas eléctricas tradicionales y, por lo tanto, han llamado la atención de los científicos en los últimos años, ya que podrían proporcionar información fundamental sobre el mundo cuántico y potencialmente ayudar a comprender fenómenos extraños como la superconductividad a alta temperatura.
El reciente descubrimiento relacionado con metales extraños fue publicado en la revista Nature . En el artículo , los investigadores explican que mientras los electrones pertenecen a una clase de partículas llamadas fermiones, los pares de Cooper actúan como bosones, que siguen reglas muy diferentes a las de los fermiones.
“Tenemos estos dos tipos de partículas fundamentalmente diferentes cuyos comportamientos convergen en torno a un misterio”, dijo Jim Valles, autor correspondiente del estudio. “Lo que esto dice es que cualquier teoría para explicar el comportamiento extraño de los metales no puede ser específica para ningún tipo de partícula. Tiene que ser más fundamental que eso.”
Comportamiento extraño del metal
Valles explicó que el extraño comportamiento de los metales se descubrió por primera vez 30 hace años en una clase de materiales llamados cupratos. Estos materiales de óxido de cobre son famosos por ser superconductores de alta temperatura, lo que significa que conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas muy superiores a las de los superconductores normales. Pero incluso a temperaturas por encima de la temperatura crítica para la superconductividad, los cupratos actúan de forma extraña en comparación con otros metales.
A medida que aumenta su temperatura, la resistencia de los cupratos aumenta de forma estrictamente lineal. En los metales normales, la resistencia aumenta solo hasta cierto punto, volviéndose constante a altas temperaturas de acuerdo con lo que se conoce como teoría del líquido de Fermi. La resistencia surge cuando los electrones que fluyen en un metal golpean la estructura atómica vibrante del metal, lo que hace que se dispersen. La teoría del fermi-líquido establece una tasa máxima a la que puede ocurrir la dispersión de electrones.
Pero los metales extraños no siguen las reglas de Fermi-líquido, y nadie está seguro de cómo funcionan. Lo que sí saben los científicos es que la relación temperatura-resistencia en los metales extraños parece estar relacionada con dos constantes fundamentales de la naturaleza: la constante de Boltzmann, que representa la energía producida por el movimiento térmico aleatorio, y la constante de Planck, que se relaciona con la energía de un fotón. .
“Para tratar de comprender lo que sucede en estos extraños metales, las personas han aplicado enfoques matemáticos similares a los que se utilizan para comprender los agujeros negros”, dijo Valles. «Así que hay una física muy fundamental que sucede en estos materiales».
En los últimos años, Valles y sus colegas han estado estudiando la actividad eléctrica en la que los portadores de carga no son los electrones. En 30, el premio Nobel Leon Cooper descubrió que en los superconductores normales (no del tipo de alta temperatura descubierto más tarde), los electrones se unen para formar pares de Cooper, que puede deslizarse a través de una red atómica sin resistencia. A pesar de estar formado por dos electrones, que son fermiones, los pares de Cooper pueden actuar como bosones.
“Los sistemas de fermiones y bosones generalmente se comportan de manera muy diferente”, dijo Valles. “A diferencia de los fermiones individuales, a los bosones se les permite compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que pueden moverse colectivamente como moléculas de agua en las ondas de una ola”.
Descubrimientos sorprendentes0423941586 En 021, Valles y sus colegas demostraron que los bosones del par de Cooper pueden producir un comportamiento metálico, lo que significa que pueden conducir electricidad con cierta cantidad de resistencia. Eso en sí mismo fue un hallazgo sorprendente porque los elementos de la teoría cuántica sugirieron que el fenómeno no debería ser posible. Para esta última investigación, el equipo quería ver si los metales bosónicos del par de Cooper también eran metales extraños.
Luego usaron un material de cuprato llamado óxido de cobre itrio bario, modelado con pequeños agujeros que inducen el estado metálico de par de Cooper. El equipo enfrió el material justo por encima de su temperatura superconductora para observar los cambios en su conductancia. Encontraron, como los metales extraños fermiónicos, una conductancia metálica de par de Cooper que es lineal con la temperatura.
Los investigadores dicen que este descubrimiento les dará a los teóricos algo nuevo para masticar mientras intentan comprender el comportamiento extraño de los metales.
“Ha sido un desafío para los teóricos encontrar una explicación de lo que vemos en los metales extraños”, dijo Valles. «Nuestro trabajo muestra que si vas a modelar el transporte de carga en metales extraños, ese modelo debe aplicarse tanto a los fermiones como a los bosones, aunque estos tipos de partículas sigan reglas fundamentalmente diferentes».
En opinión de Valles, el extraño comportamiento de los metales podría ser la clave para comprender la superconductividad a alta temperatura, que tiene un gran potencial para cosas como las redes eléctricas sin pérdidas y las computadoras cuánticas.
