Los electrones “ganan peso” en compuestos metálicos cerca del cero absoluto

Físicos de Rutgers demuestran cómo los electrones “ganan peso” en metales cerca de la temperatura del cero absoluto: simulaciones por ordenador pueden proporcionar claves para la comprensión de la supercondictividad y fabricar nuevos materiales superconductores

Un modelo molecular estudiado por los físicos de Rutgers. En esta representación de la estructura cristalina del CeIrIn5, las esferas rojas, doradas y grises corresponden al cerio, iridio e indio respectivamente.

Físicos de la Universidad de Rutgers han realizado simulaciones por ordenador que demuestran cómo los electrones podrían hacerse mil veces más masivos en ciertos compuestos metálicos cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto – el punto donde todo movimiento cesa. Los modelos pueden proporcionar nuevas pistas sobre cómo funciona la superconductividad y cómo podrían fabricarse nuevos materiales superconductores.

En un artículo publicado en Science Express, sitio web sobre informes de investigación que sirve de borrador a las ediciones impresas de la revista Science, los investigadores describe cómo interactúan los electrones con otras partículas en estos compuestos para metamorfosearse en lo que los físicos llaman un fluido de “cuasi-partículas pesadas” o un “fluido de fermiones pesados”. Aunque este efecto había sido observado rpeviamente en algunos materiales, el trabajo de Rutgers emplea nuevos materiales para proporcionar un nivel de detalle que había sido esquivo hasta ahora para los científicos.

“En este artículo, esencialmente rastreamos el destino de los electrones cuando disminuimos la temperatura”, dijo Gabi Kotliar, Profesor de Física en la Escuela de Artes y Ciencias. “Los físicos experimentales pueden haber visto distintos aspectos de este comportamiento, o pueden haber visto comportamientos que no comprendían. Nuestros cálculos reconcilian lo que han visto”.

Los investigadores de Rutgers basaron sus modelos en experimentos usando nuevos compuestos metálicos cristalinos hechos a partir de los elementos cerio, indio e iridio. Estos y otros compuestos similares que sustituyen al cobalto y al rodio por iridio son excelentes bancos de pruebas para observar el comportamiento de electrones pesados.

Anteriores investigaciones usaron materiales superconductores de alta temperatura llamados cupratos, que fallaron al dar a los físicos una visión clara del comportamiento debido a los desórdenes en la estructura cristalina causado por el dopaje. Los nuevos compuestos basados en el cerio son más simples de estudiar debido a que están libres de dopantes.

“Los nuevos compuestos son para nosotros lo que las moscas de la fruta para los investigadores genéticos”, dijo Kristjan Haule, profesor asistente de física y astronomía. “Las moscas de la fruta son fáciles de producir y tienen una composición genética simple que es fácil de modificar. De la misma forma, estos compuestos son fáciles de crear, estructuralmente simples y ajustables, dándonos una visión más clara de las muchas propiedades de la materia que surgen a bajas temperaturas. Por ejemplo, podemos usar un campo magnético para acabar con la superconductividad y examinar el estado de la materia a partir del cual surgió la superconductividad”.

Estos compuestos son ejemplar de materiales fuertemente correlacionados, o materiales con electrones de interacción fuerte, que no pueden describirse mediante teorías que traten los electrones como entidades mayormente independientes. El término “cuasi-partículas pesadas” se refiere a cómo interactúan los electrones entre sí, como resultado de esas interacciones, formando un nuevo tipo de partícula llamada una “cuasi-partícula”.

Explicando cómo este efecto aparece a bajas temperaturas y se desvanece a otras más altas, Haule apunta que los electrones de los orbitales f están fuertemente unidos a los átomos de cerio a altas temperaturas. Pero cuando la temperatura cae, los electrones exhiben un comportamiento coherente, o delocalización de sus átomos. A 50 grados por encima del cero absoluto, o 50 grados Kelvin, los investigadores observan con claridad cuasi-partículas como electrones interactuando entre sí y otros electrones en el metal como electrones e conducción.

El trabajo realizado por Haule y sus colegas está en una rama de la física conocida como física de materia condensada, la cual trata con las propiedades físicas de la materia sólida y líquida. Sus modelos de cuasi-partículas pesadas se nutre del anterior trabajo de Haule fusionando dos teorías de modelos atómicos, conocida como aproximación de densidad local y teoría de campos de media dinámica, o LDA+DMFT.

En colaboración con Haule y Kotliar estuvo Ji-Hoon Shim, profesor de posdoctorado. La división de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencia y el Centro Rutgers para Teoría de Materiales apoyaron esta investigación. Shim recibió una beca de investigación posdoctoral de la Fundación de Investigación de Corea.


Autor: Carl Blesch
Fecha Original: 1 de noviembre de 2007
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