Cómo se sobretransportan los electrones en los «metales malos»

Electrones de corriente de supertransporte

En su investigación, los investigadores también demostraron la peculiaridad de un nuevo tipo de «metales malos», llamados «metales de Hund», importantes para una clase de materiales a base de hierro. Los científicos creen que estos materiales son particularmente interesantes porque son superconductores y bastante maleables, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones tecnológicas. Crédito: Gerd Altmann

«Malo» y misterioso pero muy eficaz en la superconducción a altas temperaturas; incluso si, de acuerdo con las expectativas, estos materiales no deberían comportarse así; una nueva investigación explica por qué; conciliando teoría y experimentos.

En jerga, se les llama «metales malos», pero en realidad no son tan malos. De hecho, son los mejores superconductores porque son capaces de conducir corriente con la mayor eficiencia y sin resistencia hasta altas temperaturas. Esto se ha visto experimentalmente.

Sin embargo, su comportamiento sigue siendo un misterio. Las fuerzas repulsivas entre los electrones en estos materiales son mucho más fuertes que en los superconductores de baja temperatura: entonces, ¿cómo las partículas con la misma carga superan estas fuerzas y logran emparejarse y transportar corriente como ocurre en los superconductores «tradicionales»?

Un equipo de investigadores de SISSA en Trieste en colaboración con la Universidad Tecnológica de Viena ha encontrado una respuesta posible y sorprendente.

Según el estudio publicado en Cartas de revisión física, en estos materiales los electrones se transformarían en nuevos “objetos”, con un carácter inédito que les permitiría emparejarse y así superconducir la corriente. En su investigación, los investigadores también demostraron la peculiaridad de un nuevo tipo de «metales malos», llamados «metales de Hund», importantes para una clase de materiales a base de hierro. Los científicos creen que estos materiales son particularmente interesantes porque son superconductores y bastante maleables, lo que los hace muy adecuados para aplicaciones tecnológicas.

Superconductores de baja temperatura

“Los superconductores son materiales interesantes porque esconden muchos misterios que quedan sin resolver y, al mismo tiempo, ofrecen un potencial de aplicación increíble”, explican Laura Fanfarillo, Angelo Valli y Massimo Capone, autores de la investigación. Son compuestos químicos que, por debajo de una temperatura crítica, conducen la electricidad sin resistencia, por lo que sin disipación de calor. Es fácil imaginar su potencial en el campo tecnológico. Si no fuera porque para muchos de ellos, los llamados «superconductores de baja temperatura», la superconductividad aparece a temperaturas muy cercanas a la cero absoluto, lo que hace que su uso sea complicado y muy costoso. Sin embargo, también existen superconductores de alta temperatura, como los metales malos, cuya temperatura crítica, aunque muy por debajo de cero, requiere un enfriamiento mucho menos complicado y costoso. Por esta razón, estos materiales se consideran los superconductores más interesantes para explorar con el fin de arrojar luz sobre las características físicas que los hacen tan especiales.

«Y sin embargo se mueven (juntos)»

Los investigadores explican que “en los superconductores de baja temperatura sabemos que la superconductividad es el resultado del emparejamiento de electrones que superan la repulsión por su carga negativa gracias a un“ mediador ”. Una vez organizados en pares, los electrones comienzan a moverse coherentemente y transportan corriente eléctrica sin encontrar ninguna resistencia. En los metales malos, la repulsión de Coulomb, a la que están sujetos los electrones, es mucho más fuerte que en los metales tradicionales. Esta repulsión, en teoría, debería impedir aún más decisivamente la formación de estos pares y el transporte de la supercorriente ”. Aquí es donde surge la pregunta: “Como sabemos que el emparejamiento entre electrones es el mecanismo en la base de la superconducción y que, al menos en este caso, existe un mediador, queda por entender cómo los metales malos son tan buenos superconductores. . Con nuestros cálculos, hemos tratado de arrojar luz sobre este intrigante misterio «.

Cuasipartículas para conducir electricidad

Lo que descubrieron los científicos es que son precisamente las características que, a simple vista, los convertirían en los peores candidatos posibles, las que convierten a estos materiales en superconductores tan poderosos. En estos materiales, los electrones se transforman en peculiares “cuasipartículas” cuyas características son en realidad mucho más compatibles con el apareamiento, lo que justifica su comportamiento experimental. Sin embargo, no termina aquí: “En este trabajo, también demostramos que un nuevo tipo de metal malo caracterizado por un tipo peculiar de repulsión, llamado ‘metal de Hund’, abre interesantes perspectivas en el campo de la superconductividad”.

“Nuestros resultados”, concluyen los científicos, “explican con precisión y elegancia una cantidad de evidencia experimental en la clase de superconductores ferrosos, un tipo de material relativamente nuevo descubierto en 2008, pero cuyas propiedades sin precedentes siguen siendo un campo de investigación lleno de preguntas para los científicos. . «

Referencia: “Sinergia entre correlaciones impulsadas por cien y superconductividad mediada por bosones” por Laura Fanfarillo, Angelo Valli y Massimo Capone, 21 de octubre de 2020, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.177001