Los físicos estadounidenses y europeos que buscaban una explicación para la superconductividad de alta temperatura se sorprendieron cuando su modelo teórico señaló la existencia de un material nunca antes visto en un ámbito diferente de la física:los materiales cuánticos topológicos.

En un nuevo estudio que se publicará esta semana en la edición temprana de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), El físico teórico de la Universidad Rice Qimiao Si y sus colegas del Centro Rice de Materiales Cuánticos en Houston y la Universidad Tecnológica de Viena en Austria hacen predicciones que podrían ayudar a los físicos experimentales a crear lo que los autores han acuñado como un "semimetal de Weyl-Kondo, "un material cuántico con una colección variada de propiedades que se ven en materiales dispares como aislantes topológicos, metales pesados ​​de fermiones y superconductores de alta temperatura.

Todos estos materiales caen bajo el título de "materiales cuánticos, "cerámica, compuestos en capas y otros materiales cuyo comportamiento electromagnético no puede ser explicado por la física clásica. En palabras del célebre escritor científico Philip Ball, Los materiales cuánticos son aquellos en los que "los aspectos cuánticos se afirman tenazmente, y la única forma de comprender completamente cómo se comporta el material es mantener el cuanto a la vista ".

Estos comportamientos extravagantes surgen solo a temperaturas muy frías, donde no pueden ser enmascarados por las abrumadoras fuerzas de la energía térmica. Los materiales cuánticos más famosos son los superconductores de alta temperatura descubiertos en la década de 1980. llamados así por su capacidad para conducir corriente eléctrica sin resistencia a temperaturas muy superiores a las de los superconductores tradicionales. Otro ejemplo clásico son los materiales de fermiones pesados ​​descubiertos a fines de la década de 1970. En estos, los 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.

Una generación de físicos teóricos dedicó su carrera a explicar el funcionamiento de los materiales cuánticos. El trabajo de Si se centra en el comportamiento colectivo que emerge en los materiales electrónicos que se transforman de un estado cuántico a otro. Está cerca de esos puntos de transformación, o "puntos críticos cuánticos, "que ocurren fenómenos como la superconductividad a alta temperatura.

En 2001, Si y sus colegas ofrecieron una nueva teoría que explica cómo las fluctuaciones electrónicas entre dos estados cuánticos completamente diferentes dan lugar a tales comportamientos en puntos críticos cuánticos. La teoría ha permitido a Si y sus colegas hacer una serie de predicciones sobre el comportamiento cuántico que surgirá en tipos particulares de material a medida que los materiales se enfrían hasta el punto crítico cuántico. En 2014, Si fue elegido para dirigir el Rice Center for Quantum Materials (RCQM), un esfuerzo de toda la universidad que se basa en el trabajo de más de una docena de grupos de Rice en las escuelas de Ciencias Naturales e Ingeniería.

"Nos han fascinado absolutamente los materiales fuertemente correlacionados, "Si dijo de su propio grupo." El comportamiento colectivo como la criticidad cuántica y la superconductividad de alta temperatura siempre han sido el centro de nuestra atención.

"Durante los últimos dos años, varios grupos experimentales han informado de topología no trivial en materiales conductores de estado sólido, pero es una pregunta abierta si hay estados conductores que tienen una topología no trivial y son, al mismo tiempo, interactuando fuertemente. No se han realizado tales materiales, pero hay mucho interés en buscarlos ".

En el PNAS estudio, Si dijo que él y la becaria postdoctoral Hsin-Hua Lai y la estudiante de posgrado Sarah Grefe estaban trabajando con un conjunto de modelos para examinar cuestiones relacionadas con la criticidad cuántica y los superconductores de alta temperatura.

"Realmente nos topamos con un modelo en el que, repentinamente, encontramos que la masa había pasado de 1, 000 veces la masa de un electrón a cero, ", Dijo Lai. Una característica distintiva de los" fermiones Weyl, "escurridizas partículas cuánticas propuestas por primera vez por Hermann Weyl hace más de 80 años, es que tienen masa cero.

Los experimentales solo han proporcionado evidencia recientemente de la existencia de materiales conductores de estado sólido que califican como hospedadores de fermiones de Weyl. Estos materiales comparten algunas de las características de los aislantes topológicos, un tipo de material cuántico que ganó la atención internacional tras la concesión del Premio Nobel de Física 2016, pero son bastante distintos en otros aspectos. Tradicionalmente, Los materiales topológicos solo se han definido en aisladores, y la electricidad fluiría solo en la superficie de los materiales y no a través de la masa. Los conductores topológicos, sin embargo, llevar electricidad a granel, gracias a los fermiones de Weyl.

"Estos conductores topológicos se pueden describir dentro del marco del libro de texto de electrones independientes, "Grefe dijo." La pregunta central, tan desafiante como fascinante, es esto:¿Qué sucede cuando las correlaciones electrónicas son fuertes? "

Al examinar su trabajo más de cerca, Si, Lai y Grefe demostraron que sus fermiones de masa cero están íntimamente ligados tanto a fuertes correlaciones de electrones como a una topología no trivial.

"Rápidamente nos dimos cuenta de que estos son fermiones de Weyl que se originan a partir de una física de correlación fuerte por excelencia llamada efecto Kondo, ", Dijo Grefe." Por lo tanto, llamamos a este estado un semimetal de Weyl-Kondo ".

El efecto Kondo captura cómo una banda de electrones, que están tan fuertemente correlacionados entre sí que actúan como giros localizados, se comportan en un fondo de electrones de conducción.

Junto con la coautora del estudio Silke Paschen, un físico experimental de la Universidad Tecnológica de Viena que pasaba seis meses en RCQM como profesor visitante cuando se hizo el descubrimiento, Si, Lai y Grefe buscaron identificar las firmas experimentales únicas del semimetal Weyl-Kondo.

"Descubrimos que el efecto Kondo hace que los fermiones de Weyl se muevan con una velocidad que difiere en varios órdenes de magnitud del caso que no interactúa, "Esto nos permitió predecir que las correlaciones electrónicas mejorarán una cantidad particular en la dependencia de la temperatura del calor específico por un factor alucinante de mil millones", dijo Lai.

Si dijo que este efecto es enorme, incluso según el estándar de los sistemas de electrones fuertemente correlacionados, y el trabajo apunta a un principio más amplio.

"El efecto Kondo en este tipo de materiales se produce en las proximidades del orden magnético, "Si dijo." Nuestro trabajo anterior ha demostrado que la superconductividad de alta temperatura tiende a desarrollarse en sistemas al borde del orden magnético, y este estudio sugiere que allí también se desarrollan algunos estados topológicos fuertemente correlacionados.

"Esto bien puede representar un principio de diseño que guiará la búsqueda de una amplia variedad de estados topológicos fuertemente correlacionados, " él dijo.