Los electrones en los metales intentan comportarse como conductores obedientes, pero terminan más como autos chocadores. Pueden ser conductores imprudentes, pero un nuevo estudio dirigido por Cornell confirma que este caos tiene un límite establecido por las leyes de la mecánica cuántica.

El papel del equipo, "T-resistividad lineal de una tasa de dispersión isotrópica de Planck, "escrito en colaboración con investigadores dirigidos por Louis Taillefer de la Universidad de Sherbrooke en Canadá, publicado el 28 de julio en Naturaleza . El autor principal del artículo es Gael Grissonnanche, becario postdoctoral en el Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala.

Los metales transportan corriente eléctrica cuando los electrones se mueven todos juntos en tándem. En la mayoría de los metales, como el cobre y el oro utilizados para el cableado eléctrico, los electrones intentan evitarse y fluyen al unísono. Sin embargo, en el caso de ciertos metales "extraños", esta armonía se rompe y los electrones disipan energía rebotando entre sí a la velocidad más rápida posible. Las leyes de la mecánica cuántica desempeñan esencialmente el papel de un policía de tráfico de electrones, dictando un límite superior sobre la frecuencia con la que pueden ocurrir estas colisiones. Los científicos observaron previamente este límite en la tasa de colisión, también conocido como el "límite de Planck, "pero no existe una teoría concreta que explique por qué debería existir el límite, tampoco se supo cómo los electrones alcanzan este límite en metales extraños. Así que Ramshaw y sus colaboradores se propusieron medirlo cuidadosamente.

"Empíricamente, sabemos que los electrones solo pueden rebotar unos con otros tan rápido. Pero no tenemos idea de por qué "dijo Brad Ramshaw, el profesor asistente Dick &Dale Reis Johnson en la Facultad de Artes y Ciencias, y el autor principal del artículo. "Antes, el "límite de Planck" se infirió simplemente a partir de datos utilizando modelos muy simples. Hicimos una medición y un cálculo muy cuidadosos y demostramos que realmente se obedece hasta el último detalle. Y descubrimos que es isotrópico por lo que es lo mismo para los electrones que viajan en cualquier dirección. Y eso fue una gran sorpresa ".

Los investigadores centraron su estudio en un superconductor de alta temperatura a base de óxido de cobre conocido como cuprato. Trabajando con colaboradores en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee, Florida, introdujeron una muestra de cuprato metálico en un imán híbrido de 45 tesla, que tiene el récord mundial de creación del campo magnético continuo más alto, y registraron el cambio en la resistencia eléctrica de la muestra mientras cambiaban el ángulo del campo magnético. Luego, el equipo de Ramshaw pasó la mayor parte de dos años creando software de análisis de datos numéricos para extraer la información pertinente.

Asombrosamente, pudieron analizar sus datos con las mismas ecuaciones relativamente simples que se utilizan para los metales convencionales, y encontraron que los electrones del metal cuprato obedecían al límite de Planck.

"Se suponía que este enfoque que usamos era demasiado ingenuo, ", Dijo Grissonnanche." Para los científicos en el campo, no es obvio a priori que esto deba funcionar, pero lo hace. Entonces, con este nuevo descubrimiento, hemos matado dos pájaros de un tiro:hemos ampliado la validez de este enfoque simple a metales extraños y hemos medido con precisión el límite de Planck. Finalmente estamos desentrañando el enigma detrás de los intensos movimientos de los electrones en metales extraños ".

"No parece depender de los detalles del material en particular, "Dijo Taillefer." Así que tiene que ser algo que sea casi como un principio primordial, insensible a los detalles ".

Ramshaw cree que otros investigadores ahora pueden usar este marco de cálculo para analizar una amplia clase de problemas y fenómenos experimentales. Después de todo, si trabaja en metales extraños, debería funcionar en muchas otras áreas.

Y quizás esos extraños metales estén un poco más ordenados de lo que se pensaba.

"Tienes estos ingredientes microscópicos tremendamente complicados y la mecánica cuántica y luego, por el otro lado, obtienes una ley muy simple, cuál es la tasa de dispersión depende solo de la temperatura y nada más, con una pendiente que es igual a las constantes fundamentales de la naturaleza que conocemos, ", dijo." Y ese surgimiento de algo simple a partir de ingredientes tan complicados es realmente hermoso y convincente ".

Tales descubrimientos también pueden permitir una comprensión más profunda de las conexiones entre los sistemas cuánticos y fenómenos similares en la gravitación. como la física de los agujeros negros, de hecho, uniendo el mundo vertiginosamente pequeño de la mecánica cuántica y sus teorías "duales" en la relatividad general, dos ramas de la física que los científicos han intentado conciliar durante casi un siglo.

Los coautores incluyen al estudiante de doctorado Yawen Fang e investigadores de la Universidad de Sherbrooke en Canadá, Universidad de Texas en Austin, el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético y la Universidad de Warwick en el Reino Unido.