Físicos descubren nueva fase de la materia

Físicos descubren nueva fase de la materia

Investigadores han descubierto una forma nueva de materia caracterizada por un ordenamiento inusual de electrones que podría revolucionar la electrónica.

Un equipo de físicos, liderado por David Hsieh de Caltech, ha descubierto una forma inusual de la materia, no un metal convencional, aislante, o un imán, por ejemplo, sino algo totalmente diferente. Esta fase, que se caracteriza por un orden inusual de electrones, podría brindar nuevas funcionalidades a los dispositivos electrónicos y podría ser la solución a un antiguo misterio de la física de materia condensada que tienen que ver con la superconductividad a alta temperatura, la capacidad de algunos materiales para conducir electricidad sin resistencia, incluso a temperaturas «altas» que se acercan a -100 grados Celsius.

El descubrimiento fue realizado mientras se probaba una técnica de medición basada en láser que desarrollaron recientemente para buscar algo llamado orden multipolar. Para entender lo que es orden multipolar, pensemos en un cristal con electrones que se mueven en su interior. Bajo ciertas condiciones, puede ser energéticamente favorable para estas cargas eléctricas apilarse de una forma regular y repetitiva dentro del cristal, formando lo que se denomina una fase de carga ordenada. La carga, en este caso, es simplemente una cantidad escalar, es decir, que se puede describir con sólo un valor numérico, o magnitud.

Además de la carga, los electrones también tienen un grado de libertad conocido como spin. Cuando los spines se alinean paralelos entre sí (en un cristal, por ejemplo), forman un material ferromagnético, un tipo de imán. Debido a que el spin tiene tanto una magnitud como una dirección, la carga de una fase ordenada por spin está descrita por un vector.

En este caso, los científicos investigaban si existían casos particulares donde los electrones no se encuentren ordenados de ninguna de estas formas, sino más bien en una forma con más dimensiones, digamos una matriz. A esto le llaman fase ordenada multipolar, porque, por ejemplo, dos electrones pudiesen estar ordenados con spin apuntando a lugares opuestos, por ejemplo, uno al norte y otro al sur. Esto se conoce como cuadripolo magnético, que es cuando un campo magnético tiene cuatro polos magnéticos.

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Detectar las fases ordenadas multipolares es un trabajo complicado con las técnicas y herramientas tradicionales, por lo cual los investigadores han desarrollado una técnica novedosa basándose en una característica que presentan los sólidos pero en una escala muy débil llamada generación de armónicos ópticos.

Usualmente, cuando dirigimos apuntador láser a la pared, esta refleja esa única longitud de onda del apuntador, supongamos rojo en este caso. Sin embargo, para todos los materiales, hay una pequeña cantidad de luz que rebota en múltiplos enteros de la frecuencia recibida. Así que con el apuntador láser rojo, también habrá algo de luz azul que rebota de la pared. Sólo que no lo vemos porque es un pequeño porcentaje del total de luz reflejada. Estos múltiplos se llaman armónicos ópticos.

Experimento explota el hecho de que los cambios en la simetría de un cristal afectarán a la fuerza de cada armónico de manera diferente. La aparición del orden multipolar cambia la simetría del cristal de una manera muy específica, que puede ser, en gran medida, invisible para sensores convencionales. La idea es usar la respuesta armónica óptica de un cristal como una huella dactilar para la detección del orden multipolar.

Un compuesto llamado óxido de estroncio-iridio (Sr2IrO4), el cual comparte ciertas características con el óxido de cobre, ha atraído el interés de los investigadores. El óxido de cobre se vuelve superconductor a una temperatura de -173 grados Celsius, una temperatura relativamente alta para un superconductor. Estructuralmente, estas familias de materiales son muy similares. Poseen características aislantes antiferromagnéticas y se vuelven más metálicos a medida que se van añadiendo o removiendo más electrones a través de un proceso llamado dopaje químico. A niveles suficientemente altos, el dopaje químico transforma al óxido de cobre en un superconductor a alta temperatura, pero en su transición de aislante a superconductor, pasan por una fase llamada «pseudogap», en la que una cantidad adicional de energía es requerida para retirar electrones del material.

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Recientemente, una fase pseudogap también se ha observado en el Sr2IrO4 y los investigadores han encontrado usando esta técnica, que este orden multipolar existe en una ventana de dopaje y temperatura donde el pseudogap está presente. Los investigadores todavía están investigando si los dos se superponen exactamente, pero suponen que el trabajo sugiere una conexión entre el orden multipolar y el fenómeno de pseudogap. Según los investigadores, este tipo de Ordenes Multipolares podrían estar escondidos en otros materiales y la idea es mejorar estas técnicas para poder detectarlos.

Durante décadas, los científicos han debatido sobre el origen de la pseudogap y su relación con la superconductividad; si es un precursor necesario para la superconductividad o una fase compitiendo con un conjunto distinto de propiedades de simetría. Los investigadores indican que estos descubrimientos deberían acentuar los trabajos de desarrollo de nuevas herramientas y técnicas que permitan estudiar este fenómeno ya que si ésta relación se entiende mejor, podría ser posible desarrollar materiales superconductores a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente.

Fuente: SlashDot