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  • 25/11/2018

superconductividad

«Es verdaderamente un gran misterio»: un fenómeno cuántico universal descubierto en metales extraños

Los experimentos indican que unos materiales superconductores exóticos comparten un estado metálico «extraño» caracterizado por un límite de velocidad cuántico que hace las veces de un principio organizador fundamental.

Nature Physics

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Muestra de película delgada de un cristal de cuprato llamado óxido de bismuto estroncio calcio cobre montado para unas mediciones de resistividad en el LNCMI de Toulouse [por cortesía de Anaëlle Legros].

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En las últimas décadas, la ciencia de materiales ha vivido una inusitada revolución debido, en buena parte, a la aplicación de áreas como la geometría y la topología al estudio de las fases cuánticas de la materia: un fructífero enfoque que en 2016 fue reconocido con la concesión del premio Nobel de física a David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane y J. Michael Kosterlitz. En este monográfico digital (en PDF) podrás encontrar una selección de artículos que te ayudarán a entender la belleza de los conceptos físicos y matemáticos que, más allá de sus fascinantes aplicaciones, explican las propiedades de algunos nuevos materiales, como los aislantes y superconductores topológicos, los líquidos de espín, el grafeno o los aislantes de Mott.

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Se ha detectado un fenómeno cuántico ubicuo en una vasta clase de materiales superconductores, y ello ha alimentado entre los físicos una creencia cada vez más arraigada en que un principio organizador desconocido gobierna el comportamiento colectivo de las partículas y determina cómo dispersan energía e información. Conocer ese principio organizador podría ser una clave que permita adentrarse en «la extrañeza cuántica en su nivel más profundo», dice Subir Sachdev, teórico de la Universidad de Harvard que no participó en los nuevos experimentos.

Los hallazgos, cuenta en Nature Physics un equipo que trabaja en la Universidad de Sherbrooke, en Canadá, y en el Laboratorio Nacional de los Campos Magnéticos Intensos (LNCMI), en Toulouse, indican que los electrones de una variedad de cristales cerámicos, los «cupratos», parecen disipar la energía tan deprisa como es posible, hasta toparse con un límite de velocidad cuántico fundamental. Estudios anteriores, en especial un artículo publicado en Science en 2013, habían hallado que otros materiales superconductores exóticos (los rutenatos de estroncio, los pnicturos, los tetrametiltetratiafulvalenos y algunos más) queman también energía a una velocidad que parece ser máxima.

Lo más notable es que ese límite de velocidad está ligado al valor numérico de la constante de Planck, la magnitud fundamental que representa la menor acción posible en la naturaleza.

«Cuando ves eso, sabes que estás tocando algo muy, muy profundo y fundamental», dice Louis Taillefer, físico de la materia condensada en Sherbrooke que realizó el nuevo experimento con cupratos junto con su alumna de doctorado Anaëlle Legros, Cyril Proust, del LNCMI, y trece colaboradores más.

Esta manera de quemar energía se produce cuando los cupratos y otros compuestos exóticos entran en una fase de «metal extraño», en la que resisten el flujo de la electricidad más que los metales corrientes. Pero cuando se enfrian hasta una temperatura crítica, estos metales extraños se transforman en conductores perfectos, sin pérdidas, de la electricidad. Los físicos llevan esforzándose desde hace 32 años por entender y controlar esta potente forma de superconductividad, y cada vez más se considera que el comportamiento de los electrones en la fase precedente de metal extraño es una parte esencial de lo que sucede.

«Es verdaderamente un gran misterio», dice Sachdev, uno de los investigadores más destacados de la materia condensada.

No se sabe qué hacen exactamente los electrones, los portadores de la electricidad, en los metales extraños. Los expertos tienen la hipótesis de que quizá se organizan por sí mismos en un estado cuántico «máximamente revuelto (scrambled)» en el que las propiedades de cada electrón dependen de las propiedades de los demás. Este estado máximamente revuelto podría permitir que los electrones se dispersasen los unos en los otros y extendiesen la energía tan deprisa como es permitido por las leyes de la mecánica cuántica.

Este estado revuelto representa la extrañeza cuántica llevada al extremo. En la década de 1930, Albert Einstein se sublevó contra la idea de que dos partículas se entrelazasen, con propiedades que seguían siendo interdependientes aun después de que las partículas se hubiesen alejado mucho la una de la otra. «Aquí tendríamos un entrelazamiento de millones de electrones que causaría todo un estado de la materia», dice Sachdev, «así que en realidad estamos explorando la frontera del entrelazamiento».

Un principio organizador podría ser una forma de llegar hasta ahí.

«Los experimentos apuntan hacia una fascinante universalidad válida en unos y otros materiales, una universalidad que entrañaría una idea muy profunda tanto en mecánica cuántica como en mecánica estadÍstica», dice Sean Hartnoll, físico teórico de la Universidad de Stanford. El esfuerzo por precisar esa idea profunda ha destapado unas conexiones sorprendentes con los agujeros negros, la gravedad y la teoría cuántica de la información.

Metales extraños

En 1986, cuando Georg Bednorz y Alex Müller, de IBM Research en Zúrich, sintetizaron el primer cuprato y descubrieron la llamada «superconductividad a alta temperatura», se percataron de algo extraño en su nuevo y revolucionario cristal. A medida que el dúo enfriaba su cuprato (uno hecho de átomos de lantano, bario, cobre y oxígeno) aproximándolo a su temperatura crítica, observaron que la resistencia eléctrica del cristal decrecía linealmente con el descenso de la temperatura, así que cuando representaban esto gráficamente se formaba una línea recta que apuntaba hacia abajo. En los materiales ordinarios esa relación forma una curva más complicada.

Por entonces, esta observación fue relegada por el resultado más espectacular. El descubrimiento de la superconductividad a una emperatura crítica más alta de lo que antes se creía posible les valió enseguida a Bednorz y Müller el premio Nobel y desencadenó una busca febril de materiales parecidos. «Fue una epoca bien loca», dice Joseph Orenstein, físico que trabajaban entonces en los Laboratorios Bell, en Nueva Jersey. «Aquel sitio enloqueció».

Otros laboratorios descubrieron enseguida cupratos y otros compuestos que superconducían a temperaturas aún mayores. Desde entonces, los físicos vienen soñando con encontrar o sintetizar materiales que superconduzcan la electricidad incluso a temperatura ambiente. Unos materiales así harían que la infraestructura eléctrica humana fuese mucho más eficaz y podría impulsar vehículos que levitasen magnéticamente; se trataría de una revolución en la forma en que vivimos.

Pero para crear superconductores de alta temperatura los físicos tenían que fortalecer el pegamento que une a los electrones y hace que transporten sin esfuerzo la carga eléctrica. El problema era que los investigadores tenían que descubrir primero en qué consistía ese pegamento. Proliferaron las teorías, pero la asombrosa complejidad de los cupratos y de los otros superconductores de alta temperatura confundió a cada uno de esos intentos.

Con el tiempo, una parte del borroso cuadro se enfocó mejor: la misteriosa resistividad lineal observada por Bednorz y Müller en su primer cuprato siguió apareciendo en otros cupratos y materiales antes de que empezase la superconductividad. Este comportamiento se asoció con la fase de metal extraño que parece subyacer de alguna forma a la superconductividad. La fase no solo conoce la transición hacia la superconductividad cuando se llega a la temperatura crítica, sino que persiste a temperaturas menores a esta si se destruye el estado superconductor con campos magnéticos. Las fases superconductora y de metal extraño parecen competir, con la temperatura crítica actuando como un punto de inflexión. Para aumentar la temperatura crítica, los físicos tendrían que entender ambas fases. «Seguramente no sabremos por qué la temperatura de superconducción es alta en los cupratos hasta que no entendamos la fase de metal extraño de la que emerge la superconductividad», dice Hartnoll.

La línea recta señalaba la existencia de una «ley bella, simple, robusta», afirma Taillefer. «Tiene que haber una explicación simple y profunda».

A partir de 1990, los investigadores empezaron a encontrar pruebas de una naturaleza cuántica de la resistividad lineal. Ese año, Orenstein y sus colaboradores de los Laboratorios Bell estudiaron un cuprato llamado óxido de itrio, bario y cobre, y vieron que, como en la muestra de Bednorz y Müiller, su resistencia eléctrica caía linealmente a medida que se enfriaba de camino a su temperatura crítica. Con una corriente alterna pudieron medir el ritmo al que los electrones del material se dispersaban unos a otros, que es la fuente de la resistencia. Descubrieron que la nueva línea recta que representaba el ritmo de dispersión en función de la temperatura tenía una pendiente sorprendentemente cercana a la constante fundamental ħ (se lee «h barra»), la constante de Planck reducida. En mecánica cuántica, ħ representa, entre otras cosas, la menor acción posible, que es la cantidad de energía multiplicada por la cantidad de tiempo.

«Por entonces pensé que era interesante», dice Orensen, hoy en día profesor de la Universidad de California en Berkeley y cientifico titular del Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley, «pero ni se me pasó por la cabeza que 30 años después seguiría siendo un misterio completamente carente de explicación al que se estaría relacionando con los agujeros negros y la teoría de la información».

El artículo de Science de 2013 y el de ahora de Nature Physics muestran que la pendiente de la línea que relaciona el ritmo de dispersión de los electrones con la temperatura en los metales extraños es invariablemente la misma: ħ.

El límite de velocidad cuántico

En 2004, el teórico holandés Jan Zaanen le dio a ese curioso fenómeno un nombre: disipación planckiana. Sostuvo en un artículo de Nature News & Views que los electrones de esos materiales, y los de otros estados exóticos de la materia a los que a veces se llama «sopa cuántica», alcanzan un límite de velocidad cuántico fundamental relativo a la prontitud con que la energía se puede disipar.

«Si en una autopista todos los coches van a la misma velocidad, no será porque sus motores son iguales, sino solo porque hay un límite de velocidad», explica Hartnoll.

Los teóricos, para saber por qué los electrones de los metales extraños llegan hasta el tope impuesto por el supuesto límite de velocidad, quieren saber a su vez de dónde viene este. El mejor argumento liga el límite de velocidad al principio de incertidumbre, la famosa fórmula que Werner Heisenberg enunció en 1927 y que pone un límite superior al grado de certidumbre que se puede tener acerca del mundo (o equivalentemente, al grado de definición que el mundo mismo posee). Ese límite superior está determinado por ħ.

La constante concebida por Max Planck en 1900, a la que le daría un valor aproximado y que luego Paul Dirac utilizó en su forma reducida ħ, aparece en mecánica cuántica por todas partes. Su pequeñísimo valor, conocido hoy con mucha precisión, representa la unidad cuántica de acción, pero además, como demostró Heisenberg, es la unidad cuántica de incertidumbre: una borrosidad inevitable, básica, de la naturaleza. La borrosidad aparece cuando se intentan medir dos cosas a la vez: la posición y el momento de una partícula, por ejemplo, o la energía que posee y durante cuánto tiempo. En otras palabras, la posición y el momento no se pueden definir a la vez con mayor precisión que ħ; tampoco la energía y el tiempo.

La hipótesis es que los electrones podrían estar en los metales extraños «disipando tan deprisa como, conforme al principio de incertidumbre, les es posible», explica Hartnoll. Los electrones poseen una cantidad de energía proporcional a la temperatura del metal extraño y la disipación es un proceso que requiere un cierto plazo de tiempo. El tiempo y la energía no se pueden definir a la vez con una precisión arbitraria a causa del principio de incertidumbre, explica Hartnoll, así que es posible que haya una dispersión planckiana «cuando el tiempo de disipación es tan rápido como puede ser».

Es solo un crudo esbozo, admite. Él y otros teóricos quieren probar la cota cuántica con mayor rigor; ello podría contribuir a que estuviese más claro por qué una multitud de electrones lo alcanza tan naturalmente en materiales como los cupratos.

En los últimos años, Hartnoll, Sachdev y otros teóricos han estado abordando el problema mediante una sorprendente «dualidad holográfica» que conecta matemáticamente sistemas de partículas cuánticas revueltas, como las de los metales extraños, con agujeros negros imaginarios en una dimensión superior (el agujero negro brota del sistema de partículas como un holograma). Es notable que los físicos hayan llegado al resultado de que los agujeros negros (zonas espaciotemporales esféricas con una gravedad propia tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellas una vez en su interior) hacen algo equivalente a la disipación planckiana: alcanzan una cota relativa a la rapidez con que les es posible «revolver» la información que cae en ellos. En otras palabras, los agujeros negros y los metales extraños se van a los extremos de una cierta manera común. La dualidad holográfica permite a los investigadores traducir las propiedades de los agujeros negros a las propiedades duales de los sistemas de partículas «revueltas» (scrambled). Esperan que esto revele lo que hacen los electrones en los metales extraños, qué pasa en la fase superconductora competidora y, posiblemente, cómo inclinar el equilibrio entre las dos de forma que la superconductividad se extienda hasta temperaturas superiores.

A medida que estudian el comportamiento de los electrones «revueltos» (scrambled) por medio de la dualidad holográfica y otros métodos, los investigadores van sintiendo que progresan y que van adquiriendo un cierto conocimiento. A algunos les parece que la disciplina está a punto de experimentar un gran avance conceptual. Hartnoll dice del fenómeno de la disipación planckiana: «creo que pronto lo comprenderemos».

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Universal T-linear resistivity and Planckian dissipation in overdoped cuprates», de A. Legros et al. en Nature Physics (2018).

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