Nuevos estados cuánticos en la superficie de un misterioso material

Un equipo internacional de científicos ha observado fenómenos inesperados en la superficie de un nuevo material superconductor.

El equipo incluye expertos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) en España, y de instituciones de Colombia, España, Francia, Japón y Suecia.

En física, algunas de las imágenes más espectaculares del fenómeno de la interferencia cuántica se han conseguido estudiando electrones libres en la superficie de metales sencillos y bien conocidos, como el cobre o el oro.

Ahora, las nuevas observaciones demuestran por primera vez el fenómeno de cuantización de electrones en fermiones pesados y, además, revelan un tipo de ordenamiento electrónico cuyo origen es totalmente desconocido.

En los laboratorios, desde hace más de tres décadas, es posible obtener superficies atómicamente planas en metales sencillos. En los escalones que se pueden formar entre estas superficies, los electrones pueden ser atrapados y son muy sensibles a cualquier cambio; por ejemplo, un escalón de tamaño atómico constituye una importante barrera para su propagación.

“En un peldaño entre dos escalones, los electrones casi no pueden escapar y muestran su naturaleza ondulatoria en pleno esplendor. Esto da lugar a estados cuantizados, que se caracterizan por la formación de ondas cuya distancia entre máximos varía con la energía en múltiplos enteros de un valor determinado”, explica Hermann Suderow, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.

“Hasta la fecha, estos estados solo se habían estudiado en sistemas en los que los electrones se comportan casi como si fueran partículas independientes. En los materiales cuánticos, los electrones no son independientes y, como consecuencia del entrelazamiento debido a las interacciones, llevan consigo una pesada armadura”, detalla Isabel Guillamón, investigadora del mismo Departamento y coautora del estudio.

Alfredo Levy Yeyati, miembro del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada y coautor también, agrega, “Nuestros resultados muestran claramente estados cuantizados de electrones altamente correlacionados y evidenciamos en detalle la interacción entre estos estados y la superconductividad. Los cálculos teóricos que apoyan lo observado apuntan a que dichos estados podrían verse también en muchos otros materiales cuánticos. Además, aportan nueva evidencia experimental que serviría para entender el  origen del misterioso orden oculto, mostrando la ausencia de una cierta simetría cerca de la superficie”.

Escalones de tamaño atómico en una superficie. Imagen tomada a tan solo 0,1 grados por encima del cero absoluto (la temperatura más baja permitida por las leyes de la física) con un microscopio construido íntegramente en la UAM. El color indica la altura. La diferencia de altura entre dos escalones es de tan solo unos pocos átomos. En la parte de arriba a la izquierda se observa la red atómica. Las flechas indican las direcciones cristalográficas. Resultados obtenidos en el Laboratorio de bajas Temperaturas y Altos Campos Magnéticos del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencias. (Imagen: Edwin Herrera / UAM)

El misterioso orden oculto

Científicamente se habla de orden oculto para referirse a un misterioso fenómeno de ordenamiento, diferente a cualquier otro tipo de orden electrónico conocido en los sólidos (por ejemplo el magnetismo).

Como parte de los resultados, los estados cuantizados observados en la superficie del superconductor URu2Si2 demuestran que los electrones tienen una masa 17 veces superior a la que se encuentra en metales sencillos. Esta masa adicional, según los autores, explica el hecho de que en sus experimentos tuviera que bajarse extremadamente la temperatura para poder observar los nuevos estados cuánticos.

“Las propiedades de los nuevos estados cuánticos nos han servido para caracterizar este misterioso material. Entre otros, hemos observado fenómenos inesperados en las esquinas de los escalones que podrían estar relacionados con el orden oculto”, detalla Edwin Herrera, colaborador de la Universidad Central y de la Universidad Nacional de Colombia, e investigador posdoctoral de la UAM y primer firmante del estudio.

“Se trata de fenómenos colectivos en los que un gran número de partículas se alían para mostrar comportamientos contraintuitivos que desafían la imaginación, como el movimiento sin disipación, la cuantización de la circulación o la protección topológica.”

“Estos comportamientos —concluye el investigador— nos permiten soñar con construir dispositivos insensibles al desorden, que transporten energía sin pérdidas o que sirvan para diseñar ordenadores radicalmente diferentes como los ordenadores cuánticos”.

El estudio se titula “Quantum-well states at the surface of a heavy-fermion superconductor”. Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: UAM)