Nuevas mediciones han resuelto un misterio en la física del estado sólido:¿cómo es que ciertos metales no parecen adherirse a las reglas válidas?

Los metales generalmente se consideran sólidos, materiales irrompibles que conducen la electricidad y exhiben un brillo metálico típico. El comportamiento de los metales clásicos, por ejemplo, su conductividad eléctrica, se puede explicar con bien conocido, teorías físicas bien probadas.

Pero también hay compuestos metálicos más exóticos que plantean acertijos:algunas aleaciones son duras y quebradizas, Los óxidos metálicos especiales pueden ser transparentes. Incluso hay materiales justo en el límite entre el metal y el aislante:pequeños cambios en la composición química convierten al metal en un aislante, o viceversa. En tales materiales, ocurren estados metálicos con conductividad eléctrica extremadamente pobre; estos se conocen como "metales malos". Hasta ahora, parecía que estos "metales malos" simplemente no podían explicarse con las teorías convencionales. Nuevas mediciones ahora muestran que estos metales no son tan "malos" después de todo. Tras una inspección más cercana, su comportamiento encaja perfectamente con lo que ya sabíamos sobre los metales.

Pequeño cambio, gran diferencia

El profesor Andrej Pustogow y su grupo de investigación en el Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien (Viena) están investigando sobre materiales metálicos especiales, pequeños cristales que han sido cultivados especialmente en el laboratorio. "Estos cristales pueden adquirir las propiedades de un metal, pero si varía un poco la composición, de repente estamos tratando con un aislante que ya no conduce electricidad y es transparente como el vidrio a ciertas frecuencias, "dice Pustogow.

Justo en esta transición, uno se encuentra con un fenómeno inusual:la resistencia eléctrica del metal se vuelve extremadamente grande, más grande, De hecho, de lo que debería ser posible según las teorías convencionales. "La resistencia eléctrica tiene que ver con los electrones que se dispersan entre sí o en los átomos del material, "explica Andrej Pustogow. Según este punto de vista, la mayor resistencia eléctrica posible debería ocurrir si el electrón se dispersa en cada átomo en su camino a través del material; después de todo, no hay nada entre un átomo y su vecino que pueda desviar al electrón de su camino. Pero esta regla no parece aplicarse a los denominados "metales malos":muestran una resistencia mucho mayor de la que permitiría este modelo.

Todo depende de la frecuencia

La clave para resolver este acertijo es que las propiedades del material dependen de la frecuencia. "Si solo mide la resistencia eléctrica aplicando un voltaje de CC, solo obtiene un número:la resistencia a frecuencia cero, "dice Andrej Pustogow." Nosotros, por otra parte, realizó mediciones ópticas utilizando ondas de luz con diferentes frecuencias ".

Esto demostró que los "metales malos" no son tan "malos" después de todo:a bajas frecuencias apenas conducen corriente, pero a frecuencias más altas se comportan como cabría esperar de los metales. El equipo de investigación considera pequeñas cantidades de impurezas o defectos en el material, que ya no puede protegerse adecuadamente con un metal en el límite de un aislante, como una posible causa. Estos defectos pueden hacer que algunas áreas del cristal ya no conduzcan electricidad porque allí los electrones permanecen localizados en un lugar determinado en lugar de moverse a través del material. Si se aplica un voltaje de CC al material para que los electrones puedan moverse de un lado del cristal al otro, entonces virtualmente todos los electrones eventualmente golpearán una región tan aislante y la corriente apenas podrá fluir.

A alta frecuencia de CA, por otra parte, cada electrón se mueve hacia adelante y hacia atrás continuamente; no cubre una gran distancia en el cristal porque sigue cambiando de dirección. Esto significa que, en este caso, muchos electrones ni siquiera entran en contacto con una de las regiones aislantes del cristal.

Esperanza de importantes pasos adicionales

"Nuestros resultados muestran que la espectroscopia óptica es una herramienta muy importante para responder preguntas fundamentales en la física del estado sólido, ", dice Andrej Pustogow." Muchas observaciones para las que anteriormente se creía que exóticas, Los modelos nuevos que debían desarrollarse podrían muy bien explicarse por las teorías existentes si se ampliaran adecuadamente. Nuestro método de medición muestra dónde son necesarias las adiciones ". Ya en estudios anteriores, El profesor Pustogow y sus colegas internacionales obtuvieron información importante sobre la región límite entre el metal y el aislante, utilizando métodos espectroscópicos, estableciendo así un fundamento para la teoría, .

El comportamiento metálico de los materiales sujetos a fuertes correlaciones entre los electrones también es particularmente relevante para la llamada "superconductividad no convencional", un fenómeno que se descubrió hace medio siglo pero que aún no se comprende completamente.