Al medir con precisión la entropía de una aleación de oro, cobre y cerio con propiedades electrónicas desconcertantes enfriadas a casi cero absoluto, Físicos de Alemania y Estados Unidos han obtenido nueva evidencia sobre las posibles causas de la superconductividad a alta temperatura y fenómenos similares.

"Esta demostración proporciona una base para comprender mejor cómo se producen comportamientos novedosos, como la superconductividad a alta temperatura, cuando ciertos tipos de materiales se enfrían hasta un punto crítico cuántico". ", dijo el físico de la Universidad de Rice, Qimiao Si, coautor de un nuevo estudio sobre la investigación en la edición de esta semana Física de la naturaleza .

La investigación experimental fue dirigida por Hilbert von Löhneysen del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Karlsruhe, Alemania. El equipo de Löhneysen, incluido el autor principal del estudio, Kai Grube, Pasó un año realizando decenas de experimentos con un compuesto hecho de cerio, cobre y oro. Al estudiar el efecto del estrés, o presión aplicada en direcciones específicas, y haciendo los materiales muy fríos, el equipo cambió sutilmente el espacio entre los átomos en los compuestos metálicos cristalinos y, por lo tanto, alteró sus propiedades electrónicas.

Las aleaciones de cerio, cobre y oro son "fermiones pesados, "uno de varios tipos de materiales cuánticos que exhiben propiedades electrónicas exóticas cuando hace mucho frío. Los más conocidos son los superconductores de alta temperatura, llamados así por su capacidad para conducir corriente eléctrica con resistencia cero a temperaturas muy superiores a las de los superconductores tradicionales. Los fermiones pesados ​​exhiben una rareza diferente:sus electrones parecen ser efectivamente cientos de veces más masivos de lo normal y, igualmente inusual, la masa efectiva de electrones parece variar mucho a medida que cambia la temperatura.

Estos comportamientos extraños desafían las teorías físicas tradicionales. También ocurren a temperaturas muy frías y se producen cuando los materiales se sintonizan en una "transición de fase cuántica", un cambio de un estado a otro, como el hielo derritiéndose. En 2001, Si y sus colegas ofrecieron una nueva teoría:en el punto crítico cuántico, los electrones fluctúan entre dos estados cuánticos completamente diferentes, tanto es así que su masa efectiva se vuelve infinitamente grande. La teoría predijo ciertos signos reveladores a medida que se acerca al punto crítico cuántico, y Si ha trabajado con físicos experimentales durante los últimos 16 años para acumular evidencia que respalde la teoría.

"El agua líquida y el hielo son dos de los estados clásicos en los que puede existir H2O, "dijo Si, director del Rice Center for Quantum Materials. "El hielo es una fase muy ordenada porque las moléculas de H2O están ordenadas en una red cristalina. El agua está menos ordenada en comparación con el hielo, pero las moléculas de agua que fluyen todavía tienen un orden subyacente. El punto crítico es donde las cosas están fluctuando entre estos dos tipos de orden. Es el punto donde las moléculas de H2O quieren ir al patrón de acuerdo con el hielo y quieren ir al patrón de acuerdo con el agua.

"Es muy similar en una transición de fase cuántica, ", dijo." Aunque esta transición está impulsada por la mecánica cuántica, sigue siendo un punto crítico donde hay una fluctuación máxima entre dos estados ordenados. En este caso, las fluctuaciones están relacionadas con el orden de los 'espines' de los electrones en el material ".

El giro es una propiedad inherente, como el color de los ojos, y el giro de cada electrón se clasifica como "arriba" o "abajo". En imanes, como el hierro, los giros están alineados en la misma dirección. Pero muchos materiales exhiben el comportamiento opuesto:sus giros se alternan en una repetición hacia arriba, abajo, hasta, patrón descendente al que los físicos se refieren como "antiferromagnético".

Cientos de experimentos con fermiones pesados, Los superconductores de alta temperatura y otros materiales cuánticos han descubierto que el orden magnético difiere a ambos lados de un punto crítico cuántico. Típicamente, Los experimentos encuentran un orden antiferromagnético en un rango de composición química, y un nuevo estado de orden al otro lado del punto crítico.

"Una imagen razonable es que puede tener un orden de espines antiferromagnético, donde los giros están bastante ordenados, y puedes tener otro estado en el que los giros estén menos ordenados, "dijo Si, Profesor de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Wiess de Rice. "El punto crítico es donde las fluctuaciones entre estos dos estados son máximas".

El compuesto de cerio, cobre y oro se ha convertido en un prototipo de material de fermiones pesados ​​para la criticidad cuántica. en gran parte debido al trabajo del grupo de von Löhneysen.

"En 2000, Hicimos experimentos de dispersión de neutrones inelásticos en el sistema de oro, cobre y cerio crítico cuántico, ", dijo von Löhneysen." Encontramos un perfil espacio-temporal tan inusual que no podía entenderse en términos de la teoría estándar del metal ".

Si dijo que el estudio fue uno de los factores importantes que lo estimuló a él y a sus coautores a ofrecer su teoría de 2001, lo que ayudó a explicar los desconcertantes resultados de von Löhneysen. En estudios posteriores, Si y sus colegas también predijeron que la entropía, una propiedad termodinámica clásica, aumentaría a medida que aumentaran las fluctuaciones cuánticas cerca de un punto crítico cuántico. Las bien documentadas propiedades del oro, cobre y cerio brindaron una oportunidad única para probar la teoría, Si dijo.

En cerio cobre-seis, la sustitución de pequeñas cantidades de oro por cobre permite a los investigadores aumentar ligeramente el espaciamiento entre átomos. En la composición crítica, las aleaciones experimentan una transición de fase cuántica antiferromagnética. Al estudiar esta composición y medir la entropía numerosas veces bajo diferentes condiciones de estrés, El equipo de Karlsruhe pudo crear un mapa tridimensional que mostraba cómo la entropía a una temperatura muy baja pero finita aumentaba constantemente a medida que el sistema se acercaba al punto crítico cuántico.

No existe una medida directa de entropía, pero la relación entre los cambios de entropía y la tensión es directamente proporcional a otra relación que se puede medir:la cantidad que la muestra se expande o contrae debido a los cambios de temperatura. Para permitir las mediciones a las temperaturas extraordinariamente bajas requeridas, El equipo de Karlsruhe desarrolló un método para medir con precisión cambios de longitud de menos de una décima de billonésima de metro, aproximadamente una milésima parte del radio de un solo átomo.

"Medimos la entropía en función de la tensión aplicada a lo largo de las diferentes direcciones principales, "dijo Grube, investigador principal del Instituto de Tecnología de Karlsruhe. "Hicimos un mapa detallado del paisaje de la entropía en el espacio de parámetros multidimensionales y verificamos que el punto crítico cuántico se encuentra en la cima de la montaña de la entropía".

Von Löhneysen dijo que las mediciones termodinámicas también proporcionan nuevos conocimientos sobre las fluctuaciones cuánticas cerca del punto crítico.

"Asombrosamente, esta metodología nos permite reconstruir el perfil espacial subyacente de las fluctuaciones críticas cuánticas en este material crítico cuántico, ", dijo." Esta es la primera vez que se aplica este tipo de metodología ".

Si dijo que fue una sorpresa que esto pudiera hacerse usando nada más que mediciones de entropía.

"Es bastante notable que el panorama de la entropía se pueda conectar tan bien con el perfil detallado de las fluctuaciones críticas cuánticas determinadas a partir de experimentos microscópicos como la dispersión inelástica de neutrones, tanto más cuando ambos terminan proporcionando evidencia directa para apoyar la teoría, " él dijo.

Más generalmente, La demostración de la pronunciada mejora de la entropía en un punto crítico cuántico en un espacio de parámetros multidimensionales genera nuevos conocimientos sobre la forma en que las interacciones electrón-electrón dan lugar a la superconductividad de alta temperatura. Si dijo.

"Una forma de aliviar la entropía acumulada de un punto crítico cuántico es que los electrones del sistema se reorganicen en fases nuevas, ", dijo." Entre las posibles fases que siguen está la superconductividad no convencional, en el que los electrones se emparejan y forman un estado cuántico macroscópico coherente ".