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Miércoles, 31 agosto 2011
Física

En un experimento se ha logrado vulnerar una importante ley de la física

Se ha observado la violación de una de las leyes empíricas más antiguas de la física en un experimento llevado a cabo por científicos de la Universidad de Bristol, en el Reino Unido.

Su experimento sobre bronce púrpura, un metal capaz de ostentar propiedades electrónicas unidimensionales únicas, indica que este material es capaz de incumplir la ley de Wiedemann-Franz.

En 1853, dos físicos alemanes, Gustav Wiedemann y Rudolf Franz, estudiaron la conductividad térmica (una medida de la capacidad de un sistema para transferir el calor) de varios metales elementales y encontraron que la proporción entre la conductividad térmica y la eléctrica era aproximadamente la misma para metales diferentes, a la misma temperatura.

Sin embargo, la razón de esta observación empírica no estuvo clara hasta el descubrimiento del electrón, y sobre todo con el advenimiento de la física cuántica a principios del siglo XX. Los electrones tienen un espín y una carga. Cuando se mueven a través de un metal originan una corriente eléctrica resultante de las cargas en movimiento. Además, los electrones en movimiento también transportan calor a través del metal, pero tanto a través de la carga como del espín. Así que un electrón en movimiento debe transportar calor y carga: es por eso que la proporción no varía de metal a metal.

Durante más de 150 años, la ley de Wiedemann-Franz demostró ser muy robusta, con una variación máxima del 50 por ciento en esa proporción en los miles de sistemas metálicos estudiados.

En 1996, los físicos estadounidenses C. L. Kane y Matthew Fisher hicieron una predicción teórica que resultaba entonces un tanto transgresora: Si se confinan electrones a cadenas atómicas individuales, la ley de Wiedemann-Franz podría ser violada. En este mundo unidimensional, los electrones se dividen en dos componentes o excitaciones distintas, uno que transporta al espín pero no a la carga (el espinón), y otro que transporta a la carga pero no al espín (el holón). Cuando el holón encuentra una impureza en la cadena de átomos, no logra atravesarla. Por otra parte, el espinón sí tiene la capacidad de cruzar a través de la impureza y luego continuar a lo largo de la cadena. Esto indica que el calor es transportado con facilidad a lo largo de la cadena, pero no sucede así con la carga. Ello constituye pues una violación de la ley de Wiedemann-Franz.

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El grupo de Nigel Hussey comprobó esta predicción en una muestra de bronce púrpura.

Los investigadores encontraron que el material condujo el calor 100.000 veces mejor de lo que cabía esperar si hubiera obedecido la ley de Wiedemann-Franz, como sí hacen otros metales.

El hallazgo no sólo demuestra la inusual separación del espín y la carga de un electrón en el mundo unidimensional, sino que también revela una notable capacidad del citado material para conducir calor, una capacidad que podría ser aprovechada para desarrollos tecnológicos.


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