Agujeros negros: ¿Un modelo para los superconductores?

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Los agujeros negros son unos de los objetos más pesados del universo. Los electrones están entre los más ligeros. Ahora, los físicos Robert G. Leigh y Philip Phillips junto con el becario de posdoctorado Mohammad Edalati y el estudiante graduado Ka Wai Lo de la Universidad de Illinois han demostrado cómo los agujeros negros cargados pueden usarse como modelo de comportamiento de electrones que interactúan en superconductores no convencionales.

“El contexto de este problema es la superconductividad de alta temperatura”, dice Phillips. “Uno de los grandes problemas por resolver en la física, es el origen de la superconductividad (un estado de conducción con una resistencia cero) en la cerámica de óxido de cobre descubierta en 1986”. Los resultados de la investigación del grupo se publican on-line el 1 de marzo en la revista Physical Review Letters y el 25 de febrero en Physical Review D.

Agujero negro


Al contrario que los viejos superconductores, que eran todos metales, los nuevos superconductores empiezan su vida como aislantes. En el estado aislante de los materiales de óxido de cobre, hay muchos lugares para que los electrones salten pero, sin embargo, no hay flujo de corriente. Tal estado de la materia, conocido como aislante Mott por el trabajo pionero de Sir Neville Mott, surge de la fuerte repulsión entre los electrones. Aunque hay bastante acuerdo sobre esto, gran parte de la física de los aislantes Mott sigue sin resolverse, debido a que no hay una solución exacta al problema de Mott que sea aplicable directamente a los materiales de óxido de cobre.

Presentamos a la Teoría de Cuerdas – un esfuerzo teórico en evolución que busca describir las fuerzas fundamentales de la naturaleza, incluyendo la gravedad, y sus interacciones con la materia en un único sistema matemático completo.

En la Teoría de Cuerdas, algunos sistemas mecánico cuánticos de interacción fuerte pueden estudiarse reemplazándolos con la gravedad clásica en un espacio-tiempo de una dimensión superior, una relación que conjeturó por primera vez el teórico de cuerdas Juan Maldacena hace unos catorce años. La conjetura fue posible pensando en las D-branas, importantes objetos en la Teoría de Cuerdas, de dos formas distintas pero equivalentes. Las características físicas de los sistemas cuánticos, tales como temperatura, densidad de carga, etc., se convierten en propiedades de los agujeros negros en la teoría de la gravedad clásica.

Dado que la mayor parte de los fenómenos de materia condensada implican física de electrones, Leigh, junto con el estudiante graduado Juan Jottar, se propusieron investigar el tipo de interacciones que podrían tener los electrones en las teorías de la gravedad clásica que surgen en la Teoría de Cuerdas. Dado que el problema de Mott es un ejemplo de partículas de interacción fuerte, Edalati, Leigh, y Philips se preguntaron entonces: “¿Es posible idear una teoría de la gravedad que imite un aislante Mott?” Sí, es posible.

Los investigadores se basaron en el mapeado de Maldacena e idearon un modelo para electrones que se mueven en un espacio-tiempo curvado en la presencia de un agujero negro cargado que captura dos de las características más impactantes de los superconductores de alta temperatura: 1) La presencia de una barrera para el movimiento de los electrones en el estado de Mott, y 2) el extraño régimen de metal en el que la resistividad eléctrica aumenta como una función lineal de la temperatura, en oposición a la dependencia cuadrática exhibida por los metales estándar.

El tratamiento avanzado en el artículo publicado en Physical Review Letters representa la primera vez que se observa la resolución del problema de Mott en un sistema bidimensional, la dimensión relevante para los superconductores de alta temperatura. La siguiente gran pregunta que debe abordarse es cómo podría surgir la superconductividad a partir de la teoría de la gravedad de un aislante Mott.


Autor: Celia M. Elliott
Fecha Original: 3 de marzo de 2011
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