Los físicos estadounidenses y europeos que buscaban una explicación para la superconductividad a alta temperatura se sorprendieron cuando su modelo teórico señaló la existencia de un material nunca antes visto en un ámbito diferente de la física: los materiales cuánticos topológicos.
En un nuevo estudio que se publicará esta semana en la edición temprana de Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS , el físico teórico de la Universidad de Rice Qimiao Si y sus colegas del Centro Rice para Materiales Cuánticos en Houston y la Universidad Tecnológica de Viena en Austria hacen predicciones que podrían ayudar a los físicos experimentales a crear lo que los autores han acuñado un "semimetal Weyl-Kondo", unmaterial cuántico con una colección variada de propiedades observadas en materiales dispares como aislantes topológicos, fermiones pesados y superconductores de alta temperatura.
Todos estos materiales caen bajo el título de "materiales cuánticos", cerámica, materiales compuestos en capas y otros materiales cuyo comportamiento electromagnético no puede explicarse por la física clásica. En palabras del conocido escritor científico Philip Ball, los materiales cuánticos son aquellos en los que "ellos aspectos cuánticos se afirman tenazmente, y la única forma de comprender completamente cómo se comporta el material es mantener a la vista el cuanto ".
Estos comportamientos peculiares surgen solo a temperaturas muy frías, donde no pueden ser enmascarados por las fuerzas abrumadoras de la energía térmica. Los materiales cuánticos más famosos son los superconductores de alta temperatura descubiertos en la década de 1980, llamados así por su capacidad para conducir corriente eléctricasin resistencia a temperaturas muy superiores a las de los superconductores tradicionales. Otro ejemplo clásico son los materiales de fermiones pesados descubiertos a fines de la década de 1970. En estos, los electrones parecen ser efectivamente cientos de veces más masivos de lo normal e, igualmente inusual, la masa de electrones efectiva parecevariar mucho a medida que la temperatura cambia.
Una generación de físicos teóricos dedicó sus carreras a explicar el funcionamiento de los materiales cuánticos. El trabajo de Si se centra en el comportamiento colectivo que emerge en los materiales electrónicos que experimentan la transformación de un estado cuántico a otro. Está cerca de esos puntos de transformación, o "cuántico"puntos críticos ", que ocurren fenómenos como la superconductividad a alta temperatura.
En 2001, Si y sus colegas ofrecieron una nueva teoría que explicaba cómo las fluctuaciones electrónicas entre dos estados cuánticos completamente diferentes dan lugar a tales comportamientos en puntos críticos cuánticos. La teoría ha permitido a Si y sus colegas hacer una gran cantidad de predicciones sobre el comportamiento cuánticoeso surgirá en tipos particulares de material a medida que los materiales se enfríen hasta el punto crítico cuántico. En 2014, Si fue seleccionado para dirigir el Centro de Arroz para Materiales Cuánticos RCQM, un esfuerzo de toda la universidad que se basa en el trabajo en más de una docenaGrupos de arroz en las escuelas de Ciencias Naturales e Ingeniería.
"Nos han fascinado absolutamente los materiales fuertemente correlacionados", dijo Si sobre su propio grupo. "El comportamiento colectivo, como la criticidad cuántica y la superconductividad a altas temperaturas, siempre ha sido el centro de nuestra atención".
"En los últimos dos años, varios grupos experimentales han reportado topología no trivial en materiales conductores de estado sólido, pero es una pregunta abierta si hay estados conductores que tienen topología no trivial y, al mismo tiempo, están interactuando fuertemente.se han realizado materiales, pero hay mucho interés en buscarlos "
En el estudio de PNAS, Si dijo que él y su compañero posdoctoral Hsin-Hua Lai y la estudiante graduada Sarah Grefe estaban trabajando con un conjunto de modelos para examinar preguntas relacionadas con la criticidad cuántica y los superconductores de alta temperatura.
"Realmente nos topamos con un modelo en el que, de repente, descubrimos que la masa había pasado de 1000 veces la masa de un electrón a cero", dijo Lai. Una característica característica de los "fermiones de Weyl", partículas cuánticas esquivaspropuesta por primera vez por Hermann Weyl hace más de 80 años, es que tienen masa cero.
Los experimentadores solo recientemente proporcionaron evidencia de la existencia de materiales conductores de estado sólido que califican como anfitriones de fermiones Weyl. Estos materiales comparten algunas de las características de los aislantes topológicos, un tipo de material cuántico que ganó atención internacional después de la adjudicación del 2016Premio Nobel de Física, pero son bastante distintos en otros aspectos. Tradicionalmente, los materiales topológicos solo se han definido en aislantes, y la electricidad fluiría solo en la superficie de los materiales y no a través del bulto. Los conductores topológicos, sin embargo, transportan electricidad en ela granel, gracias a los fermiones Weyl.
"Estos conductores topológicos pueden describirse dentro del marco de libro de texto de electrones independientes", dijo Grefe. "La pregunta central, tan desafiante como fascinante, es esta: ¿qué sucede cuando las correlaciones electrónicas son fuertes?"
Al examinar su trabajo más de cerca, Si, Lai y Grefe demostraron que sus fermiones de masa cero están íntimamente ligados tanto a fuertes correlaciones electrónicas como a topología no trivial.
"Nos dimos cuenta rápidamente de que estos son fermiones de Weyl que se originan a partir de una física de correlación fuerte por excelencia llamada efecto Kondo", dijo Grefe. "Por lo tanto, llamamos a este estado semimetal de Weyl-Kondo".
El efecto Kondo captura cómo una banda de electrones, que están tan fuertemente correlacionados entre sí que actúan como espines localizados, se comportan en un fondo de electrones de conducción.
Junto con la coautora del estudio, Silke Paschen, física experimental de la Universidad Tecnológica de Viena que pasó seis meses en RCQM como profesora visitante cuando se realizó el descubrimiento, Si, Lai y Grefe buscaron identificar las firmas experimentales únicas deWeyl-Kondo semimetal.
"Descubrimos que el efecto Kondo hace que los fermiones de Weyl se muevan con una velocidad que difiere en varios órdenes de magnitud del caso sin interacción", dijo Lai. "Esto nos permitió predecir que las correlaciones electrónicas mejorarán una cantidad particular en eldependencia de la temperatura del calor específico por un factor alucinante de mil millones ".
Si dijo que este efecto es enorme, incluso para el estándar de los sistemas de electrones fuertemente correlacionados, y el trabajo apunta a un principio más amplio.
"El efecto Kondo en este tipo de materiales ocurre cerca del orden magnético", dijo Si. "Nuestro trabajo anterior ha demostrado que la superconductividad a alta temperatura tiende a desarrollarse en sistemas al borde del orden magnético, y este estudio sugiereque algunos estados topológicos fuertemente correlacionados también se desarrollan allí.
"Esto bien puede representar un principio de diseño que guiará la búsqueda de una amplia variedad de estados topológicos fuertemente correlacionados", dijo.
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation, la Army Research Office, la Welch Foundation, RCQM y el Austrian Science Fund.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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