Científicos que investigan un compuesto llamado «Y-ball» – que pertenece a una clase misteriosa de «metales extraños» considerados de importancia central para los materiales cuánticos de próxima generación – han encontrado nuevas formas de sondear y comprender su comportamiento.
Los resultados de los experimentos, con la ayuda de los conocimientos de los físicos teóricos de Rutgers, podrían desempeñar un papel en el desarrollo de tecnologías y dispositivos revolucionarios.
«Es probable que los materiales cuánticos impulsen la próxima generación de tecnología y que los metales extraños sean parte de esa historia», dijo Piers Coleman, profesor distinguido del Centro de Teoría de Materiales de Rutgers en el Departamento de Física y Astronomía de Rutgers. Facultad de Artes y Ciencias y uno de los teóricos implicados en el estudio. «Sabemos que los metales extraños como la bola Y exhiben propiedades que deben comprenderse para desarrollar estas aplicaciones futuras. Estamos bastante seguros de que comprender este metal extraño nos dará nuevas ideas y nos ayudará a diseñar y descubrir nuevos materiales».
Informar en el diario Ciencia, un equipo internacional de investigadores de Rutgers, la Universidad de Hyogo y la Universidad de Tokio en Japón, la Universidad de Cincinnati y la Universidad Johns Hopkins describieron detalles del movimiento de electrones que brindan una nueva visión de las propiedades eléctricas inusuales de Y-ball. El material, técnicamente conocido como el compuesto YbAlB4, contiene los elementos iterbio, aluminio y boro. Fue apodado «Y-ball» por el difunto Elihu Abrahams, director fundador del Rutgers Center for Materials Theory.
El experimento reveló fluctuaciones inusuales en la carga eléctrica del extraño metal. El trabajo es innovador, dijeron los investigadores, debido a la forma novedosa en que los experimentadores examinaron la bola Y, disparándole rayos gamma usando un sincrotrón, un tipo de acelerador de partículas.
El equipo de Rutgers, que incluye a Coleman, la profesora de física Premala Chandra y el ex becario postdoctoral Yashar Komijani (ahora profesor asistente en la Universidad de Cincinnati), han pasado años explorando los misterios de los metales extraños. Lo hacen a través del marco de la mecánica cuántica, las leyes físicas que rigen el reino de lo ultrapequeño, hogar de los componentes básicos de la naturaleza, como los electrones.
Al analizar el material utilizando una técnica conocida como espectroscopia de Mossbauer, los científicos sondearon Y-ball con rayos gamma, midiendo la velocidad a la que fluctúa la carga eléctrica del extraño metal. En un metal convencional, a medida que se mueven, los electrones saltan dentro y fuera de los átomos, lo que hace que su carga eléctrica fluctúe, pero a una velocidad miles de veces demasiado rápida para ser detectada por la espectroscopia Mossbauer. En este caso, el cambio ocurrió en un nanosegundo, una mil millonésima de segundo.
«En el mundo cuántico, un nanosegundo es una eternidad», dijo Komijani. «Durante mucho tiempo, nos hemos preguntado por qué estas fluctuaciones son tan lentas». «Razonamos», continuó Chandra, «que cada vez que un electrón salta a un átomo de iterbio, permanece allí el tiempo suficiente para atraer a los átomos circundantes, lo que hace que se muevan hacia adentro y hacia afuera. Esta danza sincronizada de electrones y átomos ralentiza todo el proceso». proceso para que pueda ser visto por el Mossbauer».
Pasaron al siguiente paso. «Les pedimos a los experimentadores que buscaran estas vibraciones», dijo Komijani, «y para nuestro deleite, las detectaron».
Coleman explicó que cuando una corriente eléctrica fluye a través de metales convencionales, como el cobre, el movimiento atómico aleatorio dispersa los electrones provocando una fricción llamada resistencia. A medida que aumenta la temperatura, la resistencia aumenta de manera compleja y en algún punto alcanza una meseta.
Sin embargo, en metales extraños como la bola Y, la resistencia aumenta linealmente con la temperatura, un comportamiento mucho más simple. Además, contribuyendo aún más a su «extrañeza», cuando la Y-ball y otros metales extraños se enfrían a bajas temperaturas, a menudo se convierten en superconductores y no muestran resistencia alguna.
Los materiales con las temperaturas superconductoras más altas pertenecen a esta extraña familia. Por lo tanto, estos metales son muy importantes porque proporcionan el lienzo para nuevas formas de materia electrónica, especialmente la superconductividad exótica y de alta temperatura.
Se espera que los materiales superconductores sean fundamentales para la próxima generación de tecnologías cuánticas porque, al eliminar toda la resistencia eléctrica, permiten que la corriente eléctrica fluya de manera mecánicamente sincronizada. Los investigadores ven su trabajo como la apertura de una puerta a posibilidades futuras, quizás inimaginables.
«En el siglo XIX, cuando la gente intentaba descifrar la electricidad y el magnetismo, no podían imaginar el próximo siglo, que estaba totalmente impulsado por esa comprensión», dijo Coleman. «Y entonces, también es cierto hoy en día, que cuando usamos la vaga frase ‘materiales cuánticos’, realmente no podemos imaginar cómo transformará las vidas de nuestros nietos».
