Los materiales pueden asumir propiedades completamente diferentes dependiendo de la temperatura, presión, voltaje eléctrico u otras cantidades físicas. En física teórica del estado sólido, Se utilizan modelos informáticos de última generación para comprender estas propiedades en detalle. A veces esto funciona bien pero a veces ocurren efectos extraños que todavía parecen desconcertantes, como los fenómenos relacionados con la superconductividad de alta temperatura.

Hace unos pocos años, Los científicos de TU Wien ya pudieron aclarar matemáticamente dónde se encuentra el límite entre el área que sigue las reglas conocidas y el área donde los efectos inusuales juegan un papel importante. Ahora, con la ayuda de cálculos complejos en supercomputadoras, Ha sido posible por primera vez explicar exactamente lo que sucede cuando se cruza este límite:la repulsión entre los electrones se ve repentinamente contrarrestada por una fuerza de atracción adicional que permite efectos completamente contrarios a la intuición.

Similar a la forma en que las moléculas de agua se combinan para formar gotas, los electrones pueden unirse en ciertos puntos, como si estuvieran parcialmente pegados. Los resultados, que se obtuvieron en una cooperación internacional entre TU Wien, la Universidad de Würzburg, la Universidad de L'Aquila y la Universidad de Georgetown en Washington D.C., ahora se han publicado en la revista Cartas de revisión física .

Hasta el infinito y más allá

"Los electrones tienen carga negativa, se repelen. Por lo tanto, los electrones que se mueven a través del material son dispersados ​​por otros electrones, "dice el profesor Alessandro Toschi del Instituto de Física del Estado Sólido en TU Wien." Sin embargo, esta dispersión no siempre es igualmente fuerte. Es posible que la repulsión entre los electrones se filtre en el material. Esto depende de muchos factores, como la composición química del material ".

Exactamente en el límite donde comienzan a aparecer efectos inusuales, los procesos de dispersión entre los electrones se vuelven teóricamente infinitamente fuertes debido a la falta de apantallamiento. Esto se conoce como "divergencia", y estas divergencias plantean un gran desafío para la investigación. "Por mucho tiempo, hubo una discusión muy controvertida:¿estas divergencias tienen realmente un significado físico real? ", dice Patrick Chalupa, quien investiga este problema como parte de su disertación en el grupo de Alessandro Toschi. "Pudimos responder esta pregunta:Sí, estas divergencias no son solo una curiosidad matemática, pero la clave para una mejor comprensión de los efectos materiales importantes, "dice Matthias Reitner, quien escribió su tesis de maestría sobre este tema.

Si te acercas al límite matemático, la repulsión se vuelve cada vez más fuerte. En el limite la correspondiente dispersión entre los electrones se vuelve infinitamente grande, pero si cruzas el limite Sucede algo sorprendente:la repulsión provoca de repente una atracción adicional. Esta atracción efectiva obliga a los electrones a reunirse en ciertos puntos en un espacio confinado, como si estuvieran parcialmente pegados. Este drástico cambio de comportamiento está íntimamente relacionado con la ocurrencia de las divergencias.

Transición de fase, similar al vapor de agua

"El resultado es una situación que recuerda al agua líquida y al vapor de agua, "dice Alessandro Toschi, "Bajo ciertas condiciones, existe una atracción entre las moléculas de agua. Se unen y crean una mezcla de gotas de líquido y vapor gaseoso. Sin embargo, el origen de esta atracción es completamente diferente en los dos casos ".

Por primera vez, Ha sido posible obtener una imagen detallada de lo que sucede en tales situaciones desde la perspectiva de la ciencia de los materiales a un nivel microscópico. "Esto significa que ahora es posible comprender exactamente por qué ciertos enfoques matemáticos, los llamados métodos perturbativos, no produjo el resultado correcto, "dice Patrick Chalupa.

Esta nueva visión microscópica podría ser una pieza faltante del rompecabezas para la comprensión teórica de los llamados superconductores no convencionales. Estos son materiales a base de hierro, cobre o níquel que pueden ser superconductores bajo ciertas condiciones hasta temperaturas increíblemente altas. "Quizás finalmente podamos responder algunas de las preguntas esenciales que han quedado sin respuesta desde el descubrimiento de estos misteriosos materiales hace 40 años". "espera Matthias Reitner.