Los átomos esféricos tienen la simetría geométrica más alta, y así exhibir la alta multiplicidad de estados cuánticos, generalmente se llama degeneración. Durante mucho tiempo se ha creído que cualquier especie poliatómica no puede exceder una esfera debido a limitaciones geométricas. Sin embargo, un tetraedro inflado exhibe la degeneración anómala que sobrepasa los átomos esféricos. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio han demostrado teóricamente que las nanoestructuras tetraédricas especiales compuestas por ciertos metales tienen un mayor grado de simetría que la simetría geométrica de los átomos esféricos. Los nanomateriales con propiedades eléctricas y magnéticas únicas y sin precedentes que surgen de esta simetría se desarrollarán y utilizarán para dispositivos electrónicos de próxima generación.
Estudiar la simetría, uno de los conceptos más fundamentales en física y química, puede facilitar una comprensión más profunda de las leyes que dan forma a nuestro universo.
Los átomos tienen naturalmente el mayor grado de simetría geométrica, correspondiente a la simetría esférica. Una propiedad interesante que a menudo surge de la simetría es un alto grado de degeneración, una característica de los niveles de energía cuántica en la que un nivel de energía dado puede corresponder simultáneamente a dos o más estados diferentes en un sistema cuántico. La degeneración da lugar a propiedades que incluyen alta conductividad y magnetismo, que podría explotarse para crear materiales electrónicos novedosos. Desafortunadamente, dadas las limitaciones de la simetría geométrica, no se sabe que ninguna sustancia tenga un mayor grado de degeneración que los átomos esféricos (Fig. 1). Pero, ¿y si las sustancias pudieran tener un tipo diferente de simetría que condujera a un mayor grado de degeneración? ¿Cómo podría explicarse tal simetría?
Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, incluyendo al Prof. Kimihisa Yamamoto, se propuso demostrar la existencia de metales con este tipo de simetría. El equipo infirió que las estructuras especiales de tetraedro infladas hechas de átomos metálicos específicos, como zinc y magnesio, puede tener un tipo especial de simetría que surge no de las propiedades geométricas sino de las características dinámicas del sistema. "Hemos demostrado que el magnesio realista, zinc, y los grupos de cadmio que tienen un marco tetraédrico específico poseen degeneraciones anómalas de mayor pliegue que la simetría esférica, "explica Yamamoto.
El equipo utilizó un análisis de modelo estricto, validado con cálculos de teoría funcional de densidad, identificar la condición general con respecto a las interacciones de enlace entre átomos (las "integrales de transferencia") que dan lugar a la simetría dinámica predicha. "Asombrosamente, la condición de degeneración se puede representar como una elegante secuencia matemática de raíz cuadrada que involucra las proporciones de las integrales de transferencia (Fig. 2). También es impresionante que esta secuencia ya haya sido descubierta por Theodorus en la antigua Grecia, independientemente de la ciencia de los materiales, "dice Yamamoto.
Esta investigación demostró que se pueden realizar nanomateriales con un grado de simetría superior al de los átomos esféricos. Los estados cuánticos superdegenerados resultantes de esta simetría dinámica podrían explotarse de múltiples formas, como diseñar nuevos materiales con conductividad o propiedades magnéticas sin precedentes, anunciando la próxima generación de dispositivos electrónicos.
