Por muchos años, La comunidad de la física de la materia condensada ha estado tratando de obtener una mejor comprensión de los sistemas materiales formados por partículas que interactúan fuertemente. Curiosamente, muchos metales pueden describirse como sistemas con electrones que interactúan de manera efectiva de manera débil, incluso si las interacciones entre electrones suelen ser bastante fuertes.

Los electrones tienen una carga y cuando interactúan con otros electrones, se afectan mutuamente. Sin embargo, por muchas razones, en los metales, estas interacciones simplemente cambian parámetros específicos (por ejemplo, la masa efectiva del electrón), pero no afectan la estructura subyacente del sistema, que actúa como si todavía contuviera electrones libres (es decir, electrones que no están unidos a átomos o moléculas y, por lo tanto, pueden responder a fuerzas externas). Esta observación se enmarca teóricamente en el contexto de lo que se conoce como la "teoría líquida de Landau Fermi".

Investigadores de la Universidad de Illinois, Universidad Johns Hopkins, CUNY College of Staten Island y University of Colorado Boulder han utilizado recientemente una nueva técnica que desarrollaron para investigar la posibilidad de que un sistema de electrones fuertemente desordenado y altamente correlacionado y desordenado (es decir, silicio dopado con fósforo) podría mapearse en un sistema de excitaciones localizadas y que no interactúan. Sus experimentos finalmente llevaron a la observación de un fenómeno único que denominaron vidrio marginal de Fermi.

El estudio de estos investigadores también se basa en el trabajo de Phil Anderson, quien ganó el premio Nobel en 1977 después de haber demostrado que las ondas no podían propagarse en sistemas con una aleatoriedad suficientemente fuerte. Este fenómeno de onda genérico, ahora conocida como localización de Anderson, se aplica a muchos tipos de olas, incluida la acústica, ondas electromagnéticas y de materia neutra.

En el pasado, Algunos teóricos han sugerido que la localización de Anderson también se aplica a las ondas electrónicas (es decir, las ondas dentro de las cuales se propagan los electrones, en el contexto de la mecánica cuántica). Sin embargo, la validez de esta predicción aún no ha sido confirmada, particularmente dado que los electrones interactúan fuertemente entre sí debido a su carga.

"Las ondas de electrones que interactúan fuertemente pueden ser localizadas por el desorden, pero no está claro si lo hacen de una manera consistente con la localización de Anderson, "Peter Armitage, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Las interacciones son fuertes en un aislante, pero la pregunta esencial es si son efectivamente irrelevantes o no, como en muchos metales. Nuestro trabajo muestra, por primera vez, que no son irrelevantes ".

Esencialmente, Armitage, Fahad Mahmood y sus colegas descubrieron la primera evidencia experimental que sugiere que la localización de Anderson no se aplica a las ondas de electrones. Para realizar sus experimentos, utilizaron una nueva técnica que desarrollaron llamada espectroscopia coherente THz 2-D. Esta técnica se basa en los avances recientes en la tecnología THz, lo que permitió la generación de campos eléctricos de rango THz muy grande.

Los grandes campos generados por las nuevas tecnologías de THz permiten a los científicos recopilar medidas de no linealidades ópticas de THz. Usando espectroscopía coherente THz 2-D, los investigadores buscaron la firma de interacciones entre electrones simplemente buscando la firma de interacciones efectivas entre los fotones THz que usaron.

"Cuando un sistema físico se excita, una cierta tasa de esa energía siempre abandona el sistema, "Armitage explicó." Debido al hecho de que las interacciones solo se sienten débilmente en la mayoría de los metales, en estos materiales, esta tasa es muy pequeña. Sin embargo, usando espectroscopía THz 2-D encontramos que en estos materiales la tasa no es pequeña, y es, De hecho, proporcional a la frecuencia utilizada para excitar el sistema ".

Los hallazgos sugieren que las excitaciones en el silicio dopado con fósforo y potencialmente en otros sistemas similares no pueden considerarse "de interacción débil". Al igual que con muchos metales, no hay evidencia que respalde una descripción que no interactúe. Por otra parte, encontraron que hay interacciones en estos sistemas de aisladores, pero que su fuerza es simplemente proporcional a la frecuencia empleada para excitarlos.

"La fenomenología que observamos se puede describir con el término 'líquido de Fermi marginal, "un estado que se propuso que existiera en materiales como el estado normal de los superconductores de cuprato, cuya comprensión aún se nos escapa, "Dijo Armitage.

El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores muestra claramente que el silicio dopado debería describirse como un sistema intrínsecamente que interactúa fuertemente. En el futuro, este hallazgo crucial podría inspirar a otros equipos a realizar experimentos similares, lo que en última instancia podría ampliar la comprensión actual de otros sistemas de electrones desordenados, como los superconductores de cuprato.

"Ahora estamos aplicando la misma técnica utilizada en nuestro estudio a otros materiales cuánticos interesantes, como los líquidos de espín cuántico, pero también estamos trabajando para obtener más información sobre el vidrio Fermi marginal, "Dijo Armitage." Con respecto al comportamiento que hemos encontrado, también hay mucho que entender teóricamente. Esperamos que los teóricos utilicen construcciones teóricas sofisticadas para abordar este comportamiento ".

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