Qué son los ‘metales extraños’ cuánticos y por qué son tan extraños

Físicos cuánticos del Instituto Flatiron han identificado, por fin, un mecanismo que explica las propiedades características de los denominados ‘metales extraños’.

Durante casi 40 años, estos materiales han desconcertado a los físicos cuánticos, desafiando toda explicación al operar fuera de las reglas normales de la electricidad.

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En la revista Science, un equipo liderado por Aavishkar Patel presenta su teoría universal de por qué los metales extraños son tan extraños: una solución a uno de los mayores problemas sin resolver en la física de la materia condensada.

Se encuentra un comportamiento metálico extraño en muchos materiales cuánticos, incluidos algunos que, con pequeños cambios, pueden convertirse en superconductores (materiales en los que los electrones fluyen sin resistencia a temperaturas lo suficientemente bajas). Esa relación sugiere que comprender los metales extraños podría ayudar a los investigadores a identificar nuevos tipos de superconductividad.

La nueva teoría sorprendentemente simple explica muchas rarezas sobre los metales extraños, como por qué el cambio en la resistividad eléctrica, una medida de la facilidad con la que los electrones pueden fluir a través del material como corriente eléctrica, es directamente proporcional a la temperatura, incluso a temperaturas extremadamente bajas. Esa relación significa que un metal extraño resiste más el flujo de electrones que un metal ordinario como el oro o el cobre a la misma temperatura.

La nueva teoría se basa en una combinación de dos propiedades de metales extraños. En primer lugar, sus electrones pueden entrelazarse mecánicamente cuánticamente entre sí, vinculando sus destinos, y permanecen entrelazados incluso cuando están separados a distancia. En segundo lugar, los metales extraños tienen una disposición de átomos no uniforme, similar a un mosaico.

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Ninguna propiedad por sí sola explica las rarezas de los metales extraños, pero en conjunto, “todo encaja en su lugar”, dice Patel, quien trabaja como Flatiron Research Fellow en el CCQ (Center for Computational Quantum Physics).

La irregularidad del diseño atómico de un metal extraño significa que los entrelazamientos de electrones varían según el lugar del material en el que se produjo el enredo. Esa variedad agrega aleatoriedad al impulso de los electrones a medida que se mueven a través del material e interactúan entre sí. En lugar de fluir todos juntos, los electrones se golpean entre sí en todas las direcciones, lo que da como resultado una resistencia eléctrica. Dado que los electrones chocan con más frecuencia cuanto más se calienta el material, la resistencia eléctrica aumenta junto con la temperatura.

“Esta interacción de entrelazamiento y falta de uniformidad es un efecto nuevo; nunca antes se había considerado para ningún material”, dice Patel en un comunicado. “En retrospectiva, es algo extremadamente simple. Durante mucho tiempo, la gente hizo que toda esta historia de metales extraños se complicara innecesariamente, y eso no era lo correcto”.

Patel dice que una mejor comprensión de los metales extraños podría ayudar a los físicos a desarrollar y afinar nuevos superconductores para aplicaciones como las computadoras cuánticas.

“Hay casos en los que algo quiere volverse superconductor pero no lo hace del todo, porque la superconductividad está bloqueada por otro estado competidor”, dice. “Uno podría preguntarse entonces si la presencia de estas no uniformidades puede destruir estos otros estados con los que compite la superconductividad y dejar el camino abierto para la superconductividad”.

Ahora que los metales extraños son un poco menos extraños, el nombre puede parecer menos apropiado de lo que alguna vez fue. “Me gustaría llamarlos metales inusuales en este momento, no extraños”, dice Patel.