Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL), trabajando en un equipo internacional, han desarrollado un nuevo método para estudios complejos de rayos X que ayudará a comprender mejor los denominados metales correlacionados. Estos materiales podrían resultar útiles para aplicaciones prácticas en áreas como la superconductividad, procesamiento de datos, y computadoras cuánticas. Hoy los investigadores presentan su trabajo en la revista Revisión física X .

En sustancias como el silicio o el aluminio, la repulsión mutua de electrones apenas afecta las propiedades del material. No es así con los llamados materiales correlacionados, en el que los electrones interactúan fuertemente entre sí. El movimiento de un electrón en un material correlacionado conduce a una reacción compleja y coordinada de los otros electrones. Son precisamente estos procesos acoplados los que hacen que estos materiales correlacionados sean tan prometedores para aplicaciones prácticas, y al mismo tiempo tan complicado de entender.

Los materiales fuertemente correlacionados son candidatos para nuevos superconductores de alta temperatura, que pueden conducir electricidad sin pérdidas y que se utilizan en medicina, por ejemplo, en la resonancia magnética. También podrían usarse para construir componentes electrónicos, o incluso computadoras cuánticas, con el que los datos se pueden procesar y almacenar de manera más eficiente.

"Los materiales fuertemente correlacionados exhiben una gran cantidad de fenómenos fascinantes, "dice Thorsten Schmitt, jefe del Grupo de Espectroscopia de Materiales Nuevos en PSI:"Sin embargo, sigue siendo un gran desafío comprender y explotar el complejo comportamiento que se esconde detrás de estos fenómenos ". Schmitt y su grupo de investigación abordan esta tarea con la ayuda de un método para el que utilizan la intensa y extremadamente precisa radiación de rayos X de Swiss Light Fuente SLS en PSI. Esta técnica moderna, que se ha desarrollado aún más en PSI en los últimos años, se llama dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS para abreviar.

Los rayos X excitan los electrones

Con RIXS, los rayos X suaves se dispersan de una muestra. El haz de rayos X incidente se sintoniza de tal manera que eleva los electrones de un orbital de electrones inferior a un orbital superior, lo que significa que se excitan resonancias especiales. Esto desequilibra el sistema. Varios procesos electrodinámicos lo devuelven al estado fundamental. Parte del exceso de energía se emite nuevamente como luz de rayos X. El espectro de esta radiación dispersa de forma inelástica proporciona información sobre los procesos subyacentes y, por tanto, sobre la estructura electrónica del material.

"En años recientes, RIXS se ha convertido en una poderosa herramienta experimental para descifrar la complejidad de los materiales correlacionados, "Explica Schmitt. Cuando se utiliza para investigar aisladores correlacionados en particular, funciona muy bien. Hasta ahora, sin embargo, el método no ha tenido éxito en el sondeo de metales correlacionados. Su falla se debió a la dificultad de interpretar los espectros extremadamente complicados causados ​​por muchos procesos electrodinámicos diferentes durante la dispersión. "En este sentido, la colaboración con los teóricos es esencial, "explica Schmitt, "porque pueden simular los procesos observados en el experimento".

Cálculos de metales correlacionados

Esta es una especialidad del físico teórico Keith Gilmore, anteriormente del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) en los EE. UU. y ahora en la Universidad Humboldt en Berlín. "Calcular los resultados de RIXS para metales correlacionados es difícil porque tienes que manejar varios orbitales de electrones, grandes anchos de banda, y una gran cantidad de interacciones electrónicas al mismo tiempo, ", dice Gilmore. Los aisladores correlacionados son más fáciles de manejar porque hay menos orbitales involucrados; esto permite cálculos de modelos que incluyen explícitamente todos los electrones. Para ser precisos, Gilmore explica:"En nuestro nuevo método para describir los procesos RIXS, ahora estamos combinando las contribuciones que provienen de la excitación de un electrón con la reacción coordinada de todos los demás electrones ".

Para probar el cálculo, los investigadores del PSI experimentaron con una sustancia que el científico de BNL Jonathan Pelliciari había investigado en detalle como parte de su tesis doctoral en el PSI:bario-hierro-arseniuro. Si agrega una cantidad específica de átomos de potasio al material, se vuelve superconductor. Pertenece a una clase de superconductores no convencionales a base de hierro de alta temperatura que se espera que proporcionen una mejor comprensión del fenómeno. "Hasta ahora, la interpretación de las mediciones de RIXS en materiales tan complejos se ha guiado principalmente por intuición. Ahora bien, estos cálculos de RIXS nos brindan a los experimentadores un marco que permite una interpretación más práctica de los resultados. Nuestras mediciones de RIXS en PSI en bario-hierro-arseniuro están en excelente acuerdo con los perfiles calculados, "Dice Pelliciari.

Combinación de experimento y teoría.

En sus experimentos, los investigadores investigaron la física alrededor del átomo de hierro. "Una ventaja de RIXS es ​​que puede concentrarse en un componente específico y examinarlo en detalle en busca de materiales que constan de varios elementos, ", Dice Schmitt. El haz de rayos X bien sintonizado hace que un electrón interno en el átomo de hierro se eleve desde el estado fundamental en el nivel del núcleo a la banda de valencia de mayor energía, que está solo parcialmente ocupado. Esta excitación inicial del electrón del núcleo puede causar más excitaciones secundarias y desencadenar muchos procesos de desintegración complicados que finalmente se manifiestan en estructuras de satélites espectrales. (Ver gráfico).

Dado que las contribuciones de las muchas reacciones a veces son pequeñas y cercanas entre sí, es difícil averiguar qué procesos tuvieron lugar realmente en el experimento. Aquí ayuda la combinación de experimento y teoría. "Si no tiene apoyo teórico para experimentos difíciles, no puedes entender los procesos, es decir, los físicos, en detalle, ", Dice Schmitt. Lo mismo se aplica también a la teoría:" A menudo no sabes qué teorías son realistas hasta que puedes compararlas con un experimento. El progreso en la comprensión se produce cuando se combinan el experimento y la teoría. Este método descriptivo tiene el potencial de convertirse en una referencia para la interpretación de experimentos espectroscópicos sobre metales correlacionados ".

El equipo internacional ha publicado su trabajo en la revista Revisión física X .