Si uno mirara profundamente en tres sólidos diferentes usando un supermicroscopio, en principio, siempre vería lo mismo: núcleos atómicos dispuestos en una red cristalina y electrones, de los cuales algunos orbitan los núcleos atómicos y otros se entrecruzantoda la red cristalina. Sin embargo, esos tres materiales pueden comportarse de manera muy diferente cuando se les aplica un voltaje eléctrico.
El primer sólido podría, por ejemplo, conducir una corriente eléctrica, el segundo podría convertirse en un aislante y el tercero podría ser un semiconductor, es decir, un material cuya conductividad eléctrica aumenta con el aumento de la temperatura más bienque disminuir, que es el caso de los metales y esa es la base de los transistores y chips de computadora.
Un equipo de físicos dirigido por Manfred Sigrist, Alexey Soluyanov y Andreas Rüegg en el Instituto de Física Teórica de la ETH en Zurich ahora han predicho un nuevo tipo de sólido que llaman "metal de cadena nodal" que se espera que tenga propiedades hasta ahora desconocidasAdemás, ya han identificado un posible candidato entre los materiales existentes.
Estructura de banda y nivel de Fermi
Dos cantidades determinan, en general, si un sólido conduce corriente eléctrica y cómo lo hace: su estructura de banda y su nivel de Fermi. La estructura de banda se refiere a los posibles estados de energía que pueden ocupar los electrones en su interior. Mientras que un electrón libre acumula energía cinéticaA medida que se mueve cada vez más rápido, los electrones incrustados en una red cristalina solo pueden tomar valores de energía que se encuentran dentro de ciertos intervalos o "bandas".
Esto se desprende de su naturaleza de onda mecánica cuántica, que también es responsable del hecho de que algunos valores de la energía de movimiento están fuera de los límites de los electrones; también se denominan espacios de banda. El nivel de Fermi, por otro lado, se deriva delnaturaleza fermiónica de los electrones, lo que significa que dos de ellos nunca pueden ocupar el mismo estado de energía. Si uno construyera una partícula sólida a la vez, cada electrón recién agregado trataría de ocupar niveles de energía cada vez más altos, comenzando desde ceroenergía. La energía del último electrón sería entonces el nivel de Fermi.
Ahora se puede predecir fácilmente si un material es un metal o un aislante si se conocen sus bandas de energía y su nivel de Fermi. Si el nivel de Fermi se encuentra dentro de una banda, los electrones más energéticos pueden moverse fácilmente y, por lo tanto, conducir corriente eléctrica. Si, por otro lado, el nivel de Fermi coincide con un intervalo de banda, uno tiene un aislante. Del mismo modo, otros materiales pueden ser metales según esa definición, pero con muy pocos estados de energía posibles en el nivel de Fermi ".predecir es, si lo desea, un primo de los llamados semimetales ", explica Tomàš Bzdušek, un estudiante de doctorado con Sigrist y Rüegg.
Nodos en el semimetal
Un semimetal que ha aparecido en los titulares es el grafeno. La forma particular en que las bandas de energía de los electrones del grafeno se acercan entre sí en los llamados puntos Dirac es responsable de las conductividades eléctricas y térmicas de este material peculiar, cuyos descubridores recibieron el premio.Premio Nobel de Física en 2010. Dado que la brecha de banda realmente desaparece en los puntos de Dirac, también se les llama nodos en analogía con los nodos de una onda estacionaria.
En otros semimetales, las bandas de energía no tocan en puntos aislados sino a lo largo de líneas o superficies bien definidas. "La peculiaridad de nuestro nuevo material es que sus bandas de energía tocan a lo largo de bucles nodales interconectados, y esos bucles nodales forman una cadena", diceSoluyanov: "Eso puede sonar extraño y bastante teórico, pero en realidad hemos encontrado un material real que probablemente tenga esas propiedades. Que tales cadenas nodales aparezcan no es un accidente, sino que lo dictan las simetrías de la red cristalina del material".
Por cierto, los físicos pueden dibujar una analogía interesante entre el estado sólido y la física de partículas de alta energía. En las teorías de alta energía, las cadenas nodales serían imposibles debido al alto nivel de simetría del vacío. En un cristal, por el contrario, existeson muchas menos simetrías, creando una especie de vacío novedoso.
Para encontrar el material de la cadena nodal, los investigadores tomaron un camino largo y sinuoso. Suponiendo que sería más fácil, primero se propusieron buscar materiales con un solo bucle nodal y determinaron qué tipo de propiedades de simetría tiene la red cristalina de dicho materialen general, se conocen 230 tipos diferentes de simetrías de cristal, y son esas simetrías las que son en gran parte responsables de las propiedades de la estructura de banda de un material.
Soluyanov y sus colegas buscaron en bases de datos masivas en línea ICSD - Inorganic Crystal Structure Database en las que miles de sólidos conocidos se enumeran junto a sus estructuras cristalinas. Eventualmente, se encontraron con uno que no solo tenía un bucle nodal, sino másintrincada cadena ganglionar: tetrafluoruro de iridio. "Fue una sorpresa inesperada", admite Quan Sheng Wu, miembro del equipo ETH.
Un posible prototipo
Este sólido poco conocido y, hasta ahora, no particularmente útil podría ser el prototipo de un nuevo tipo de material con propiedades potencialmente tecnológicamente interesantes. Por ejemplo, los físicos en Zurich predicen que la conductividad eléctrica de tales sólidos debería estar influenciada por el magnetismocampos de una manera característica. Este fenómeno también se conoce como magneto-resistencia y juega un papel importante en las tecnologías modernas de almacenamiento de datos.
Además, la estructura de banda del tetrafluoruro de iridio tiene ciertas peculiaridades que se han relacionado con la superconductividad a temperaturas más altas. "Todo eso es una posibilidad remota, por supuesto", admite Sigrist. Todavía deben realizarse pruebas experimentales de los nuevos metales de cadena nodal.hecho, y las sorpresas son muy posibles.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Oliver Morsch. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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