Atrapan por vez primera electrones en un cristal 3D

Los electrones se mueven a través de un material conductor sin que a cada uno de ellos le afecte mucho la actividad de los otros electrones. Cada uno sigue su propio camino y su estado energético suele diferir ampliamente del de cada uno de los demás electrones.

Pero cuando los electrones de un material están atrapados juntos, pueden alcanzar exactamente el mismo estado energético y empezar a comportarse como uno solo. Este estado colectivo es lo que se conoce en física como una banda plana de electrones y los expertos predicen que cuando los electrones se encuentran en este estado pueden empezar a experimentar en sí mismos los efectos cuánticos de otros electrones y actuar de forma coordinada y cuántica. Entonces, pueden surgir comportamientos exóticos como la superconductividad y formas únicas de magnetismo.

Ahora, unos físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos han logrado atrapar electrones en un cristal puro. Es la primera vez que se consigue una banda plana electrónica en un material tridimensional. Con algunas manipulaciones químicas, el equipo, encabezado por Joshua P. Wakefield del MIT, también demostró que se puede transformar el cristal en un superconductor, es decir, un material que conduce la electricidad con resistencia cero.

El estado atrapado de los electrones es posible gracias a la geometría atómica del cristal.

El cristal, que los físicos sintetizaron, tiene una disposición de átomos que se asemeja a los patrones tejidos del "kagome", el arte japonés de la cestería. En esta geometría específica, los investigadores descubrieron que, en vez de saltar entre átomos, los electrones estaban “enjaulados” y se asentaban en la misma banda de energía.

Los autores del nuevo estudio han atrapado electrones en un cristal puro, lo que supone la primera vez que se logra una banda plana electrónica en un material tridimensional. El raro estado electrónico se debe a una disposición cúbica especial de los átomos (en la imagen) que se asemeja al arte japonés del "kagome". (Imagen: Joseph Checkelsky, Riccardo Comin, et al. CC BY-NC-ND 3.0)

Todo apunta a que este estado de banda plana puede conseguirse prácticamente con cualquier combinación de átomos, siempre que se dispongan en esta geometría tridimensional inspirada en el kagome.

Lo conseguido en esta investigación pionera puede abrir la puerta hacia nuevas maneras de explorar estados electrónicos raros en materiales tridimensionales. Estos materiales podrían optimizarse algún día para hacer posibles líneas eléctricas ultraeficientes, bits cuánticos de supercomputación y dispositivos electrónicos más rápidos e inteligentes.

Wakefield y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Nature, bajo el título “Three Dimensional Flat Bands in Pyrochlore Metal CaNi2”. (Fuente: NCYT de Amazings)