Al medir con precisión la entropía de una aleación de cobre, cobre y oro con propiedades electrónicas desconcertantes enfriadas a casi cero absoluto, los físicos en Alemania y los Estados Unidos han obtenido nuevas pruebas sobre las posibles causas de la superconductividad a alta temperatura y fenómenos similares.
"Esta demostración proporciona una base para comprender mejor cómo se producen comportamientos novedosos como la superconductividad a alta temperatura cuando ciertos tipos de materiales se enfrían a un punto crítico cuántico", dijo el físico de la Universidad de Rice Qimiao Si, coautor de un nuevo estudiosobre la investigación en esta semana Física de la naturaleza .
La investigación experimental fue dirigida por Hilbert von Löhneysen del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Karlsruhe, Alemania. El equipo de Löhneysen, incluido el autor principal del estudio Kai Grube, pasó un año realizando docenas de experimentos en un compuesto hecho de cobre y oro de cerio.estudiando el efecto del estrés o la presión aplicada en direcciones específicas, y al hacer que los materiales estuvieran muy fríos, el equipo cambió sutilmente el espacio entre los átomos en los compuestos metálicos cristalinos y alteró así sus propiedades electrónicas.
Las aleaciones de cobre, cobre y oro son "fermiones pesados", uno de varios tipos de materiales cuánticos que exhiben propiedades electrónicas exóticas cuando hace mucho frío. Los más conocidos son los superconductores de alta temperatura, llamados así por su capacidad para conducir electricidadcorriente con resistencia cero a temperaturas muy superiores a las de los superconductores tradicionales Los fermiones pesados exhiben una rareza diferente: sus electrones parecen ser efectivamente cientos de veces más masivos de lo normal e, igualmente inusual, la masa de electrones efectiva parece variar fuertemente a medida que cambia la temperatura.
Estos comportamientos extraños desafían las teorías físicas tradicionales. También ocurren a temperaturas muy frías y se producen cuando los materiales se ajustan a una "transición de fase cuántica", un cambio de un estado a otro, como el derretimiento del hielo. En 2001, Siy sus colegas ofrecieron una nueva teoría: en el punto crítico cuántico, los electrones fluctúan entre dos estados cuánticos completamente diferentes, tanto que su masa efectiva se vuelve infinitamente grande. La teoría predijo ciertos signos reveladores a medida que se acerca el punto crítico cuántico, ySi ha trabajado con físicos experimentales durante los últimos 16 años para reunir evidencia para apoyar la teoría.
"El agua líquida y el hielo son dos de los estados clásicos en los que el H2O puede existir", dijo Si, director del Centro de Arroz para Materiales Cuánticos. "El hielo es una fase muy ordenada porque las moléculas de H2O están ordenadas en una red cristalina".El agua está menos ordenada en comparación con el hielo, pero las moléculas de agua que fluyen todavía tienen un orden subyacente. El punto crítico es donde las cosas fluctúan entre estos dos tipos de orden. Es el punto donde las moléculas de H2O quieren ir al patrón según el hielo.y desea ir al patrón según el agua.
"Es muy similar en una transición de fase cuántica", dijo. "Aunque esta transición es impulsada por la mecánica cuántica, sigue siendo un punto crítico donde hay una fluctuación máxima entre dos estados ordenados. En este caso, las fluctuaciones están relacionadasa la ordenación de los 'espines' de electrones en el material "
El giro es una propiedad inherente, como el color de los ojos, y el giro de cada electrón se clasifica como "arriba" o "abajo". En los imanes, como el hierro, los giros están alineados en la misma dirección. Pero muchos materiales exhibencomportamiento opuesto: sus giros se alternan en un patrón repetitivo hacia arriba, hacia abajo, hacia arriba y hacia abajo que los físicos denominan "antiferromagnético".
Cientos de experimentos con fermiones pesados, superconductores de alta temperatura y otros materiales cuánticos han encontrado que el orden magnético difiere a cada lado de un punto crítico cuántico. Por lo general, los experimentos encuentran el orden antiferromagnético en un rango de composición química y un nuevo estado deorden en el otro lado del punto crítico.
"Una imagen razonable es que puedes tener un orden antiferromagnético de giros, donde los giros están bastante ordenados, y puedes tener otro estado en el que los giros están menos ordenados", dijeron Si, Harry's Harry C. y Olga K. de Rice.Profesor de Física y Astronomía de Wiess: "El punto crítico es donde las fluctuaciones entre estos dos estados son máximas".
El compuesto de cobre, cobre y oro se ha convertido en un prototipo de material de fermión pesado para la criticidad cuántica, en gran parte debido al trabajo del grupo de von Löhneysen.
"En 2000, hicimos experimentos de dispersión de neutrones inelásticos en el sistema cuántico crítico de cerio, cobre y oro", dijo von Löhneysen. "Encontramos un perfil espacio-temporal tan inusual que no podía entenderse en términos de la teoría estándar del metal"
Si dijo que el estudio fue uno de los factores importantes que lo estimuló a él y a sus coautores a ofrecer su teoría de 2001, lo que ayudó a explicar los desconcertantes resultados de von Löhneysen. En estudios posteriores, Si y sus colegas también predijeron esa entropía, una termodinámica clásica.propiedad: aumentaría a medida que las fluctuaciones cuánticas aumentaran cerca de un punto crítico cuántico. Las propiedades bien documentadas del cerio cobre oro proporcionaron una oportunidad única para probar la teoría, dijo Si.
En el cerio cobre-seis, la sustitución de cobre por pequeñas cantidades de oro permite a los investigadores aumentar ligeramente el espacio entre los átomos. En la composición crítica, las aleaciones experimentan una transición de fase cuántica antiferromagnética. Al estudiar esta composición y medir la entropía numerosas veces bajoEn condiciones variables de estrés, el equipo de Karlsruhe pudo crear un mapa tridimensional que mostraba cómo la entropía a una temperatura muy baja pero finita aumentaba constantemente a medida que el sistema se acercaba al punto crítico cuántico.
No existe una medida directa de entropía, pero la proporción de cambios de entropía a tensión es directamente proporcional a otra proporción que se puede medir: la cantidad que la muestra se expande o contrae debido a cambios en la temperatura. Para permitir las mediciones a temperaturas extraordinariamente bajasrequerido, el equipo de Karlsruhe desarrolló un método para medir con precisión los cambios de longitud de menos de una décima parte de una billonésima parte de un metro, aproximadamente una milésima parte del radio de un solo átomo.
"Medimos la entropía en función del estrés aplicado a lo largo de las diferentes direcciones principales", dijo Grube, investigador principal del Instituto de Tecnología de Karlsruhe. "Hicimos un mapa detallado del paisaje de entropía en el espacio de parámetros multidimensionales y verificamosque el punto crítico cuántico se encuentra en la cima de la montaña de entropía "
Von Löhneysen dijo que las mediciones termodinámicas también proporcionan nuevas ideas sobre las fluctuaciones cuánticas cerca del punto crítico.
"Sorprendentemente, esta metodología nos permite reconstruir el perfil espacial subyacente de las fluctuaciones cuánticas críticas en este material crítico cuántico", dijo. "Esta es la primera vez que se aplica este tipo de metodología".
Si dijo que fue una sorpresa que esto se pudiera hacer usando nada más que mediciones de entropía.
"Es bastante notable que el paisaje de entropía pueda conectarse tan bien con el perfil detallado de las fluctuaciones críticas cuánticas determinadas a partir de experimentos microscópicos como la dispersión inelástica de neutrones, más aún cuando ambos terminan proporcionando evidencia directa para apoyar la teoría," él dijo.
En términos más generales, la demostración de la mejora pronunciada de la entropía en un punto crítico cuántico en un espacio de parámetros multidimensional plantea nuevas ideas sobre la forma en que las interacciones electrón-electrón dan lugar a la superconductividad a alta temperatura, dijo Si.
"Una forma de aliviar la entropía acumulada de un punto crítico cuántico es que los electrones en el sistema se reorganicen en fases nuevas", dijo. "Entre las posibles fases que se producen está la superconductividad no convencional, en la que los electrones se emparejany formar un estado cuántico macroscópico coherente "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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