Al explotar las propiedades de los neutrones para sondear electrones en un metal, un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha obtenido nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los sistemas de electrones correlacionados, que son materiales que tienen propiedades útiles como el magnetismo o la superconductividad.

La investigación, para ser publicado en Ciencias , muestra qué tan bien los científicos pueden predecir las propiedades y la funcionalidad de los materiales, permitiéndonos explorar su potencial para ser utilizados de formas novedosas.

"Nuestra misión desde el Departamento de Energía es descubrir y luego comprender materiales novedosos que podrían formar la base para aplicaciones completamente nuevas, "dijo el autor principal Ray Osborn, un científico senior en el Grupo de Dispersión de Rayos X y Neutrones de Argonne.

Osborn y sus colegas estudiaron un sistema de electrones fuertemente correlacionado (CePd ₃ ) utilizando la dispersión de neutrones para superar las limitaciones de otras técnicas y revelar cómo cambian las propiedades eléctricas del compuesto a altas y bajas temperaturas. Osborn espera que los resultados inspiren una investigación similar.

"Ser capaz de predecir con confianza el comportamiento de los electrones a medida que cambian las temperaturas debería fomentar un acoplamiento mucho más ambicioso de resultados y modelos experimentales de lo que se ha intentado anteriormente, "Dijo Osborn.

"En muchos metales, consideramos que los electrones móviles responsables de la conducción eléctrica se mueven independientemente unos de otros, solo débilmente afectado por la repulsión electrón-electrón, ", dijo." Sin embargo, hay una clase importante de materiales en los que las interacciones electrón-electrón son tan fuertes que no pueden ignorarse ".

Los científicos han estudiado estos sistemas de electrones fuertemente correlacionados durante más de cinco décadas. y una de las predicciones teóricas más importantes es que a altas temperaturas las interacciones de los electrones provocan fluctuaciones aleatorias que impiden su movilidad.

"Se convierten en metales 'malos', "Dijo Osborn. Sin embargo, a bajas temperaturas, las excitaciones electrónicas comienzan a parecerse a las de los metales normales, pero con velocidades de electrones muy reducidas.

La existencia de este cruce de fluctuaciones aleatorias incoherentes a alta temperatura a estados electrónicos coherentes a baja temperatura había sido postulada en 1985 por uno de los coautores, Jon Lawrence, profesor de la Universidad de California, Irvine. Aunque hay alguna evidencia de ello en experimentos de fotoemisión, El coautor de Argonne, Stephan Rosenkranz, señaló que es muy difícil comparar estas mediciones con cálculos teóricos realistas porque hay demasiadas incertidumbres en el modelado de las intensidades experimentales.

El equipo, con sede principalmente en Argonne y otros laboratorios DOE, mostró que los neutrones sondean los electrones de una manera diferente que supera las limitaciones de la espectroscopia de fotoemisión y otras técnicas.

Hacer posible este trabajo son los avances en espectroscopia de neutrones en la Fuente de neutrones por espalación (SNS) del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y la fuente de neutrones pulsados ​​ISIS del Reino Unido, que permiten mediciones integrales sobre una amplia gama de energías y transferencias de momento. Ambos desempeñaron un papel fundamental en este estudio.

"Los neutrones son absolutamente esenciales para esta investigación, ", Dijo Osborn." La dispersión de neutrones es la única técnica que es sensible a todo el espectro de fluctuaciones electrónicas en cuatro dimensiones de impulso y energía, y la única técnica que puede compararse de forma fiable con cálculos teóricos realistas en una escala de intensidad absoluta ".

Con este estudio, estas mediciones de cuatro dimensiones ahora se han comparado directamente con cálculos que utilizan nuevas técnicas computacionales especialmente desarrolladas para sistemas de electrones fuertemente correlacionados. La técnica, conocida como teoría dinámica del campo medio, define una forma de calcular las propiedades electrónicas que incluyen fuertes interacciones electrón-electrón.

Osborn reconoció las contribuciones de Eugene Goremychkin, un ex científico de Argonne que dirigió el análisis de datos, y el teórico de Argonne Hyowon Park, quien realizó los cálculos. El acuerdo entre la teoría y los experimentos fue "verdaderamente notable, "Dijo Osborn.

Mirando hacia el futuro, los investigadores son optimistas acerca de cerrar la brecha entre los resultados de los experimentos de física de materia condensada y los modelos teóricos.

"¿Cómo se llega a una etapa en la que los modelos son fiables?" Dijo Osborn. "Este artículo muestra que ahora podemos modelar teóricamente incluso sistemas extremadamente complejos. Estas técnicas podrían acelerar nuestro descubrimiento de nuevos materiales".