Metales convertidos en aislantes mediante un insólito conmutador cuántico

La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos dependen de pequeñas corrientes eléctricas finamente ajustadas para procesar y almacenar información. Estas corrientes dictan cuán rápido funcionan nuestros ordenadores, con qué frecuencia operan nuestros marcapasos y con cuánta seguridad se almacena nuestro dinero en el banco, entre otras muchas aplicaciones.

El equipo de Berend Zwartsenberg, de la Universidad de la Columbia Británica en Canadá, ha demostrado una forma completamente nueva de controlar con precisión tales corrientes eléctricas al aprovechar la interacción entre el espín de un electrón (que es el campo magnético cuántico que lleva inherentemente) y su rotación orbital alrededor del núcleo atómico. Dicho de otro modo, estos científicos han encontrado una nueva forma de activar y desactivar la conducción eléctrica en materiales. Este resultado no solo amplía el conocimiento sobre cómo funciona la conducción eléctrica, sino que, en opinión de Zwartsenberg, ayudará a explorar más a fondo propiedades conocidas, como la conductividad, el magnetismo y la superconductividad, así como a descubrir nuevas propiedades que podrían ser importantes para la computación cuántica, el almacenamiento de datos y diversas aplicaciones en el sector energético.

En términos generales, todos los materiales pueden clasificarse como metales o aislantes, dependiendo de la capacidad de los electrones para moverse a través del material y conducir electricidad.

Recreación artística de la disolución del “atasco de electrones”. Los átomos rojos son diferentes en su naturaleza cuántica y permiten el transporte de electrones en su entorno. (Imagen: SBQMI)

Los aislantes de Mott

Sin embargo, hay diferencias importantes dependiendo de cada material. En materiales simples, la diferencia entre el comportamiento metálico y el aislante proviene de la cantidad de electrones presentes: una cifra impar para metales y una cifra par para aislantes. En materiales más complejos, como los llamados aislantes de Mott, los electrones interactúan entre sí de diferentes maneras, con un delicado equilibrio que determina su conducción eléctrica.

En un aislante de Mott, la repulsión electrostática evita que los electrones se acerquen demasiado entre ellos, lo que crea una situación comparable a un atasco de tráfico y limita el flujo libre de electrones. Hasta ahora, se sabía de tan solo dos modos de liberar el “atasco”: reduciendo la fuerza de la interacción repulsiva entre electrones, o cambiando la cantidad de electrones.

El equipo de Zwartsenberg exploró una tercera posibilidad: ¿habría alguna forma de alterar la naturaleza cuántica del material para permitir que ocurriera una transición metal-aislante?

Utilizando una técnica especial de espectroscopía, el equipo examinó un aislante de Mott (Sr2IrO4), monitorizando el número de electrones, su repulsión electrostática y, finalmente, la interacción entre el espín del electrón y su rotación orbital.

Trabajando con el citado aislante de Mott, Zwartsenberg y sus colegas descubrieron que acoplar el espín al momento angular orbital disminuye la velocidad de los electrones hasta tal punto que se vuelven sensibles entre sí. La reducción del acoplamiento espín-órbita tiene el efecto contrario. Los investigadores han logrado demostrar por vez primera una transición de un aislante a un metal utilizando esta estrategia. (Fuente: NCYT Amazings)