Los científicos entienden bastante bien cómo la temperatura afecta la conductancia eléctrica en la mayoría de los metales cotidianos como el cobre o la plata. Pero en los últimos años, los investigadores han centrado su atención en una clase de materiales que no parecen seguir las reglas eléctricas tradicionales. Comprender estos so-llamados "metales extraños" podrían proporcionar información fundamental sobre el mundo cuántico y potencialmente ayudar a los científicos a comprender fenómenos extraños como la superconductividad a alta temperatura.
Ahora, un equipo de investigación codirigido por un físico de la Universidad de Brown ha agregado un nuevo descubrimiento a la extraña mezcla de metales. En una investigación publicada en la revista Nature, el equipo encontró un comportamiento extraño del metal en un material en el que no se transporta carga eléctrica.por electrones, sino por entidades más "ondulatorias" llamadas pares de Cooper.
Si bien los electrones pertenecen a una clase de partículas llamadas fermiones, los pares de Cooper actúan como bosones, que siguen reglas muy diferentes a las de los fermiones. Esta es la primera vez que se observa un comportamiento metálico extraño en un sistema bosónico, y los investigadores tienen la esperanza de que el descubrimientopodría ser útil para encontrar una explicación de cómo funcionan los metales extraños, algo que ha eludido a los científicos durante décadas.
"Tenemos estos dos tipos fundamentalmente diferentes de partículas cuyos comportamientos convergen en torno a un misterio", dijo Jim Valles, profesor de física en Brown y autor correspondiente del estudio. "Lo que esto dice es que cualquier teoría para explicar el comportamiento extraño de los metales puedeno ser específico para ningún tipo de partícula. Tiene que ser más fundamental que eso".
Metales extraños
El extraño comportamiento de los metales se descubrió por primera vez hace unos 30 años en una clase de materiales llamados cupratos. Estos materiales de óxido de cobre son más famosos por ser superconductores de alta temperatura, lo que significa que conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas muy superiores a las de los superconductores normalesPero incluso a temperaturas por encima de la temperatura crítica para la superconductividad, los cupratos actúan de manera extraña en comparación con otros metales.
A medida que aumenta su temperatura, la resistencia de los cupratos aumenta de forma estrictamente lineal. En los metales normales, la resistencia aumenta solo hasta cierto punto, volviéndose constante a altas temperaturas de acuerdo con lo que se conoce como teoría del líquido de Fermi. La resistencia surge cuando los electrones fluyen en unel metal golpea en la estructura atómica vibrante del metal, lo que hace que se dispersen. La teoría del fermi-líquido establece una tasa máxima a la que puede ocurrir la dispersión de electrones. Pero los metales extraños no siguen las reglas del fermi-líquido, y nadie está seguro de cómo funcionan.Lo que sí saben los científicos es que la relación temperatura-resistencia en los metales extraños parece estar relacionada con dos constantes fundamentales de la naturaleza: la constante de Boltzmann, que representa la energía producida por el movimiento térmico aleatorio, y la constante de Planck, que se relaciona con la energía de unfotón una partícula de luz.
"Para tratar de comprender lo que sucede en estos extraños metales, la gente ha aplicado enfoques matemáticos similares a los que se utilizan para comprender los agujeros negros", dijo Valles. "Así que hay algo de física fundamental en estos materiales".
De bosones y fermiones
En los últimos años, Valles y sus colegas han estado estudiando la actividad eléctrica en la que los portadores de carga no son electrones. En 1952, el premio Nobel Leon Cooper, ahora profesor emérito de física de Brown, descubrió que en los superconductores normales no en los de altatipo de temperatura descubierto más tarde, los electrones se unen para formar pares de Cooper, que pueden deslizarse a través de una red atómica sin resistencia. A pesar de estar formados por dos electrones, que son fermiones, los pares de Cooper pueden actuar como bosones.
"Los sistemas de fermiones y bosones por lo general se comportan de manera muy diferente", dijo Valles. "A diferencia de los fermiones individuales, los bosones pueden compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que pueden moverse colectivamente como moléculas de agua en las ondas de una ola".
En 2019, Valles y sus colegas demostraron que los bosones de par de Cooper pueden producir un comportamiento metálico, lo que significa que pueden conducir electricidad con cierta cantidad de resistencia. Eso en sí mismo fue un hallazgo sorprendente, dicen los investigadores, porque los elementos de la teoría cuántica sugirieron que elfenómeno no debería ser posible Para esta última investigación, el equipo quería ver si los metales bosónicos del par de Cooper también eran metales extraños.
El equipo usó un material de cuprato llamado óxido de itrio, bario y cobre modelado con pequeños agujeros que inducen el estado metálico de par de Cooper. El equipo enfrió el material justo por encima de su temperatura superconductora para observar cambios en su conductancia. Descubrieron, como fermiónicometales extraños, una conductancia metálica de par de Cooper que es lineal con la temperatura.
Los investigadores dicen que este nuevo descubrimiento les dará a los teóricos algo nuevo para masticar mientras intentan comprender el comportamiento extraño del metal.
"Ha sido un desafío para los teóricos encontrar una explicación de lo que vemos en los metales extraños", dijo Valles. "Nuestro trabajo muestra que si se va a modelar el transporte de carga en metales extraños, ese modelo debe aplicarse atanto fermiones como bosones, aunque estos tipos de partículas siguen reglas fundamentalmente diferentes".
En última instancia, una teoría de los metales extraños podría tener implicaciones masivas. El comportamiento de los metales extraños podría ser la clave para comprender la superconductividad a alta temperatura, que tiene un gran potencial para cosas como las redes eléctricas sin pérdidas y las computadoras cuánticas. Y debido a que el comportamiento de los metales extraños parece serrelacionados con las constantes fundamentales del universo, comprender su comportamiento podría arrojar luz sobre las verdades básicas de cómo funciona el mundo físico.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Brown. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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