Las propiedades de los materiales complejos a menudo están determinadas por la interacción de varias propiedades de los electrones. TU Wien (Viena) ahora ha logrado desenredar este lío.

Sólo a temperaturas extremadamente bajas prevalece el orden. En la Universidad Tecnológica de Viena, los materiales se enfrían hasta casi el cero absoluto, para que los electrones, que de otra manera ocupan diferentes estados de forma bastante aleatoria, muestran ciertas regularidades. Pero incluso el comportamiento de electrones tan extremadamente fríos es difícil de entender, por un lado porque los electrones se influyen fuertemente entre sí y no pueden describirse por separado, y, por otro lado, porque diferentes características de los electrones juegan un papel al mismo tiempo. Sin embargo, la comprensión ahora se hace más fácil gracias a los experimentos en la TU de Viena:era posible influir en diferentes características de los electrones por separado unos de otros. Los fenómenos cuánticos estrechamente entrelazados pueden, por tanto, entenderse individualmente. Los resultados ya se han publicado en la revista. PNAS .

Piezas de ajedrez y electrones

Imagina que tenemos una gran bolsa de piezas de ajedrez que colocas en un tablero de ajedrez una tras otra hasta que se llena. Hay diferentes formas de crear patrones ordenados:por ejemplo, siempre puedes colocar una pieza blanca y una negra alternativamente. También puede ignorar los colores y colocar alternativamente un caballo y una torre, o idear patrones de orden más complicados que combinen color y tipo de figura.

Es similar con los electrones en un sólido:como en un tablero de ajedrez, hay lugares dispuestos regularmente donde se pueden asentar los electrones. Y como piezas de ajedrez los electrones tienen diferentes propiedades que pueden usarse para crear orden.

"La propiedad más simple de los electrones es su carga:es responsable del flujo de corriente eléctrica. Sin embargo, la carga es la misma para todos los electrones, ", dice la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de la TU de Viena." Las cosas se vuelven más interesantes si también consideramos el espín del electrón. Para el giro siempre hay dos posibilidades diferentes. Sus propiedades magnéticas están determinadas por la disposición regular de los giros de los electrones en un cuerpo sólido ".

¿Dónde se encuentra el electrón? El grado de libertad orbital

Sin embargo, para los electrones localizados hay otra propiedad, otro grado de libertad, que juega un papel importante:El grado de libertad orbital. Si un electrón está ligado a un determinado átomo, son posibles diferentes arreglos espaciales. La física cuántica permite diferentes relaciones geométricas entre el electrón y el átomo, y esto también permite estructuras ordenadas en el sólido, por ejemplo, cuando muchos átomos idénticos están dispuestos en un cristal, y cada uno tiene un electrón que está en el mismo estado orbital.

"Investigamos un material hecho de paladio, silicio y cerio, ", dice Silke Bühler-Paschen." Nos centramos en los electrones ubicados en el átomo de cerio y en los electrones de conducción, que puede moverse libremente a través del cristal ". Con la ayuda de electrones de conducción, es posible influir en el orden de los electrones en el átomo de cerio, tanto en su grado de libertad de giro como en su grado de libertad orbital. "Esto se hace protegiendo, "explica Bühler-Paschen." Los electrones de conducción pueden ocultar virtualmente tanto el espín como el estado orbital de los electrones fijos, que se llama efecto Kondo. Esto significa que el orden ya no es posible ". Como se ha mostrado ahora, el orden de estos dos grados de libertad se puede activar y desactivar por separado a temperaturas muy bajas, con la ayuda de pequeños cambios en el campo magnético.

"El hecho de que el orden en los sistemas cuánticos colapse o reaparezca en determinadas situaciones no es nuevo, ", dice Silke Bühler-Paschen." Pero aquí tenemos un sistema en el que el orden se puede activar y desactivar individualmente en relación con dos grados de libertad diferentes que están estrechamente entrelazados a altas temperaturas, y eso es bastante notable ".

Esta posibilidad ahora podría ayudar a descubrir propiedades particularmente interesantes de materiales complejos. "Hay razones para asumir que el grado de libertad orbital también juega un papel importante en el fenómeno de la superconductividad no convencional, ", dice Silke Bühler-Paschen." Ahora tenemos un nuevo instrumento a nuestra disposición para comprender mejor estos efectos tan importantes desde el punto de vista tecnológico ".