Después de un año de prueba y error, Liyang Chen había logrado reducir un alambre metálico hasta convertirlo en una hebra microscópica del ancho de la mitad de un la E.coli bacteria: lo suficientemente delgada como para permitir el paso de un hilo de corriente eléctrica. Chen esperaba que las gotas de esa corriente pudieran ayudar a resolver un misterio persistente sobre cómo se mueve la carga a través de una desconcertante clase de materiales conocidos como metales extraños.

Chen, entonces estudiante de posgrado, y sus colaboradores de la Universidad Rice midieron la corriente que fluía a través de sus átomos: una delgada hebra de metal. Y descubrieron que fluía suave y uniformemente. De hecho, era tan uniforme que desafiaba la concepción estándar de los físicos sobre la electricidad en los metales.

Canónicamente, la corriente eléctrica resulta del movimiento colectivo de electrones, cada uno de los cuales lleva una porción indivisible de carga eléctrica. Pero la firmeza de la corriente de Chen implicaba que no estaba hecha de unidades en absoluto. Fue como encontrar un líquido al que de alguna manera le faltaran moléculas individualmente reconocibles.

Si bien esto puede parecer extravagante, es exactamente lo que algunos físicos esperaban del metal que el grupo probó, que junto con sus parientes inusuales ha seducido y desconcertado a los físicos desde la década de 1980. “Es un trabajo muy hermoso”, dijo Subir Sachdev, físico teórico de la Universidad de Harvard que se especializa en metales extraños.

La observación, informó la semana pasada en la revista Ciencia:, es uno de los indicios más claros hasta ahora de que cualquier cosa que transporte corriente a través de estos metales inusuales no se parece en nada a los electrones. El nuevo experimento refuerza las sospechas de que en el interior de metales extraños está surgiendo un nuevo fenómeno cuántico. También proporciona nuevos recursos para los físicos teóricos que intentan comprender qué podría ser. 

"Metales extraños, nadie tiene ni idea de dónde vienen", dijo Pedro Abbamonte, físico de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign. "Solía ​​considerarse un inconveniente, pero ahora nos damos cuenta de que en realidad es una fase diferente de la materia que vive en estas cosas".

Una llave de cuprato

El primer desafío a la comprensión convencional de los metales se produjo en 1986, cuando Georg Bednorz y Karl Alex Müller sacudieron el mundo de la física con su descubrimiento de superconductores de alta temperatura, materiales que transportan perfectamente una corriente eléctrica incluso a temperaturas relativamente cálidas. Los metales familiares como el estaño y el mercurio se convierten en superconductores sólo cuando se enfrían a unos pocos grados del cero absoluto. Bednorz y Müller midieron la resistencia eléctrica en un material a base de cobre ("cuprato") y vieron que desaparecía a unos relativamente suaves 35 kelvin. (Por su descubrimiento revolucionario, Bednorz y Müller se embolsaron el Premio Nobel apenas un año después).

Los físicos pronto se dieron cuenta de que la superconductividad a alta temperatura era sólo el comienzo del misterioso comportamiento de los cupratos.

Los cupratos se volvieron realmente extraños cuando dejaron de ser superconductores y comenzaron a resistir. A medida que todos los metales se calientan, aumenta la resistencia. Las temperaturas más cálidas significan que los átomos y los electrones se mueven más, creando más colisiones que inducen resistencia a medida que los electrones transportan corriente a través de un material. En los metales normales, como el níquel, la resistencia aumenta cuadráticamente a bajas temperaturas: lentamente al principio y luego cada vez más rápido. Pero en los cupratos, aumentó linealmente: cada grado de calentamiento trajo el mismo aumento en la resistencia, un patrón extraño que continuó durante cientos de grados y, en términos de extrañeza, eclipsó la capacidad superconductora del material. Los cupratos eran los metales más extraños que los investigadores habían visto jamás.

"La superconductividad es un ratón", dijo Andrei Chubukov, físico teórico de la Universidad de Minnesota. "El elefante... tiene este extraño comportamiento metálico".

El aumento lineal de la resistencia amenazaba una célebre explicación de cómo se mueve la carga eléctrica a través de los metales. Propuesta en 1956, la teoría del “líquido de Fermi” de Lev Landau situaba a los electrones en el centro de todo. Se basó en teorías anteriores que, por simplicidad, suponían que los electrones transportan corriente eléctrica y que se mueven a través de un metal como un gas; revolotean libremente entre átomos sin interactuar entre sí.

Landau añadió una forma de abordar el hecho crucial pero complicado de que los electrones interactúan. Están cargados negativamente, lo que significa que se repelen constantemente. Teniendo en cuenta esta interacción entre las partículas, el gas de electrones se transformó en una especie de océano; ahora, cuando un electrón se movía a través del fluido de electrones, perturbaba a los electrones cercanos. A través de una complicada serie de interacciones que implicaban repulsión mutua, estos electrones que ahora interactuaban suavemente terminaron viajando en multitudes, en grupos conocidos como cuasipartículas.

El milagro de la teoría del líquido de Fermi fue que cada cuasipartícula se comportaba casi exactamente como si fuera un único electrón fundamental. Sin embargo, una diferencia importante fue que estas gotas se movían más lentamente o más ágilmente (dependiendo del material) que un electrón desnudo, actuando efectivamente de manera más pesada o más ligera. Ahora, con sólo ajustar los términos de masa en sus ecuaciones, los físicos podrían seguir tratando la corriente como el movimiento de electrones, sólo que con un asterisco especificando que cada electrón era en realidad un grupo de cuasipartículas.

Un triunfo importante del marco de Landau fue que, en los metales normales, identificó la complicada forma en que la resistencia aumenta cuadráticamente con la temperatura. Las cuasipartículas similares a los electrones se convirtieron en la forma estándar de entender los metales. "Está en todos los libros de texto", dijo Sachdev.

Pero en el caso de los cupratos, la teoría de Landau fracasó dramáticamente. La resistencia aumentó en una línea inmaculada en lugar de la curva cuadrática estándar. Los físicos han interpretado durante mucho tiempo esta línea como una señal de que los cupratos albergan un nuevo fenómeno físico.

"Tienes que creer que la naturaleza te está dando una pista o que es increíblemente cruel", dijo Gregory Böbinger, físico de la Universidad Estatal de Florida que ha pasado gran parte de su carrera estudiando la respuesta lineal de los cupratos. "Poner una firma tan terriblemente simple y seductora y que no sea físicamente importante sería demasiado para soportar".

Y los cupratos fueron sólo el comienzo. Desde entonces, los investigadores han descubierto una gran cantidad de materiales dispares con la misma seductora resistencia lineal, incluidas las “sales de Bechgaard” orgánicas y láminas de grafeno desalineadas. A medida que estos “metales extraños” proliferaban, los científicos se preguntaban por qué la teoría del fluido Fermi de Landau parecía fallar en todos estos materiales diferentes. Algunos llegaron a sospechar que se debía a que no había cuasipartículas en absoluto; De alguna manera, los electrones se estaban organizando de una manera nueva y extraña que oscurecía cualquier individualidad, de la misma manera que la naturaleza discreta de las uvas se pierde en una botella de vino.

"Es una fase de la materia en la que un electrón realmente no tiene identidad", dijo Abbamonte. “Sin embargo, [un metal extraño] es un metal; de alguna manera transporta corriente”.

Pero no se pueden simplemente abolir los electrones. Para algunos científicos, una corriente eléctrica potencialmente continua (una que no se divide en electrones) es demasiado radical. Y Algunos experimentos extraños con metales. siguen coincidiendo con ciertas predicciones de la teoría de Landau. La persistente controversia llevó al asesor de tesis de Chen, douglas natelson de la Universidad Rice, junto con su colega Qimiao Si, para considerar cómo podrían examinar más directamente la anatomía de la carga que se mueve a través de un metal extraño.

“¿Qué podría medir que realmente me dijera qué está pasando?” Se preguntó Natelson.

La anatomía de la electricidad

El objetivo del equipo era diseccionar la corriente en un metal extraño. ¿Viene en trozos de carga del tamaño de un electrón? ¿Vino en trozos? Para averiguarlo, se inspiraron en una forma clásica de medir las fluctuaciones en un flujo: el "ruido de disparo", un fenómeno que puede entenderse si pensamos en las formas en que podría caer la lluvia durante una tormenta.

Imagínese que está sentado en su automóvil y sabe, gracias a un pronóstico meteorológico confiable, que caerán 5 milímetros de lluvia durante la próxima hora. Esos 5 milímetros son como la corriente eléctrica total. Si esa lluvia se divide en un puñado de gotas gigantes, la variación en el momento en que esas gotas lleguen al techo será alta; A veces, las gotas salpicarán espalda con espalda y, en otras ocasiones, estarán espaciadas. En este caso, el ruido del disparo es elevado. Pero si los mismos cinco milímetros de lluvia se esparcen en una neblina constante de pequeñas gotas, la variación en el tiempo de llegada (y, por tanto, el ruido de los disparos) será baja. La niebla entregará suavemente casi la misma cantidad de agua de un momento a otro. De esta forma, el ruido del disparo revela el tamaño de las gotas.

"La simple medición de la velocidad a la que aparece el agua no muestra el panorama completo", dijo Natelson. "Medir las fluctuaciones [en esa tasa] dice mucho más".

De manera similar, escuchar el crepitar de la corriente eléctrica puede informarle sobre los fragmentos de carga que la componen. Esos trozos son normalmente cuasipartículas similares a electrones de Landau. De hecho, registrar el ruido del disparo en un metal normal es una forma común de medir la carga fundamental del electrón: 1.6 × 10^-19 culombios.

Para llegar al corazón de la corriente de un metal extraño, el equipo quería medir el ruido de los disparos. Pero el ruido de los disparos electrónicos puede oscurecerse si los electrones son empujados por ondas en la red atómica de un metal. Para evitar esa confusión, los investigadores envían corriente a través de cables tan cortos que las ondas no tienen tiempo de influir en los electrones. Estos cables deben ser de escala nanoscópica.

El grupo eligió trabajar con un metal extraño y particular hecho de iterbio, rodio y silicio porque el antiguo colaborador de natelson y si, Silke Bühler-Paschen de la Universidad Tecnológica de Viena, había descubierto cómo hacer crecer el material en películas de apenas decenas de nanómetros de espesor. Eso se hizo cargo de una dimensión espacial.

Luego le tocó a Chen descubrir cómo tomar esas películas y tallar un cable que midiera apenas nanómetros de largo y ancho.

En el transcurso de aproximadamente un año, Chen probó diferentes formas de reducir el metal mediante un chorro de arena eficaz con átomos. Pero prueba tras prueba, descubrió que los nanocables resultantes sufrían daños a escala atómica que destruían la resistencia lineal característica del extraño metal. Después de docenas de intentos, encontró un proceso que funcionó: cubrió el metal con cromo, usó una corriente de gas argón para eliminar todo menos una delgada línea del extraño metal protegido con cromo y luego quitó el cromo con un baño. de ácido clorhídrico.

Al final, Chen, que obtuvo con éxito su doctorado en primavera y desde entonces se dedicó a trabajar en finanzas, creó un puñado de nanocables casi perfectos. Cada uno tenía aproximadamente 600 nanómetros de largo por 200 nanómetros de ancho, aproximadamente 50 veces más estrecho que un glóbulo rojo.

Después de enfriarlos a temperaturas gélidas de un solo dígito Kelvin, los investigadores hicieron pasar corriente eléctrica a través de los extraños nanocables metálicos. También hicieron pasar corriente a través de nanocables hechos de oro normal. La corriente en el alambre de oro crepitaba de la manera familiar que lo hacen las corrientes formadas por cuasipartículas cargadas, como gruesas gotas de lluvia que salpican el techo de un automóvil. Pero en el extraño metal, la corriente se deslizaba silenciosamente a través del nanocable, un efecto similar al casi silencioso silbido de la niebla. La interpretación más sencilla del experimento es que la carga en este extraño metal no fluye en trozos del tamaño de un electrón.

"Los datos experimentales proporcionan pruebas sólidas de que las cuasipartículas se pierden en el extraño metal", dijo Si.

Sin embargo, no todos los físicos están completamente convencidos de que el experimento elimine las cuasipartículas de Landau. "Es una afirmación muy audaz", dijo Brad Ramshaw, físico de la Universidad de Cornell. "Así que se necesitan datos audaces".

Una limitación del experimento es que el grupo probó solo un material. El hecho de que el ruido de disparo sea bajo en la mezcla de iterbio, rodio y silicio de Chen no garantiza que sea bajo en otros metales extraños. Y una anomalía puntual siempre puede atribuirse a algún detalle mal comprendido sobre ese material.

Ramshaw también señaló que los metales suenan con todo tipo de vibraciones extrañas que podría distorsionar el ruido del disparo en la corriente. Chen y sus colegas descartaron interferencias de las vibraciones más comunes, pero es posible que alguna onda exótica pasara desapercibida.

Sin embargo, Ramshaw considera convincente el experimento. "Es muy motivador para la gente intentar hacer otras cosas para ver si también son consistentes con la ausencia de electrones", dijo.

Si no son electrones, ¿entonces qué?

Si el panorama de las cuasipartículas continúa desmoronándose, ¿qué podría reemplazarlo? ¿Cómo se mueve la corriente alrededor de metales extraños si no es en paquetes de carga similares a los electrones? No es una situación fácil de describir, y mucho menos de expresar en términos matemáticos precisos. "¿Cuál es el vocabulario correcto a utilizar", dijo Natelson, "si no vas a hablar de cuasipartículas?"

Cuando se les presiona, los físicos responden a esta pregunta con un montón de metáforas de lo que aparece cuando los electrones individuales desaparecen: se funden en una sopa cuántica entrelazada; se congelan formando una gelatina; Forman una masa espumosa de carga chapoteando. felipe phillips de Urbana-Champaign compara los electrones de un metal extraño con el caucho de un neumático. Cuando el caucho sale de un árbol, sus moléculas se alinean en cuerdas individuales. Pero durante el proceso de vulcanización, estas cuerdas se transforman en una red resistente. Una nueva sustancia surge del conjunto de individuos. "Estás obteniendo algo que es más grande que la suma de sus partes", dijo. "Los electrones en sí mismos no tienen integridad".

Para ir más allá de las vagas descripciones de la aparición, los físicos necesitan una descripción matemática precisa: una teoría del fluido de Fermi aún no descubierta para metales extraños. Sachdev ayudó a desarrollar un candidato simplista, el modelo SYK, a principios de los años noventa. Obtuvo la resistencia lineal correcta, pero no tuvo nada que ver con materiales reales hechos de una red real de átomos. Por un lado, no tenía espacio; Todos los electrones se encuentran en un único punto donde interactúan aleatoriamente y se entrelazan con todos los demás electrones.

Durante los últimos años, Sachdev, Aavishkar Patel del Instituto Flatiron, y sus colaboradores han estado trabajando en aportando espacio al modelo SYK. Difundieron las interacciones de los electrones por el espacio considerando los efectos de los defectos en la red atómica: puntos donde han desaparecido átomos o han aparecido átomos adicionales. Esta acumulación de imperfecciones atómicas provoca variaciones aleatorias en la forma en que los pares de electrones interactúan y se entrelazan. El tapiz resultante de electrones entrelazados tiene una resistencia que aumenta linealmente, el sello distintivo de un metal extraño. Recientemente utilizaron su marco. para calcular el ruido de disparo también. Las cifras no coinciden del todo con las observaciones de Chen, pero forman el mismo patrón cualitativo. "Todas las tendencias son correctas", afirmó Sachdev.

Otros investigadores enfatizan que la situación teórica sigue siendo fluida: para algunos no está claro si materiales tan distintos entre sí como las láminas de grafeno y los superconductores de cuprato podrían compartir una lista de fallas lo suficientemente similar como para producir las propiedades compartidas de los metales extraños en el forma requerida por la teoría de Sachdev y Patel. Y abundan las teorías alternativas. Phillips, por ejemplo, sospecha que los metales extraños requieren una forma emergente de electromagnetismo eso no depende de electrones completos. Mientras tanto, Si y Bühler-Paschen llevan casi 20 años desarrollando y explorando a teoría de cómo las cuasipartículas se disuelven cuando un sistema se encuentra en una posición "punto crítico cuántico”, donde dos estados mecánicos cuánticos diferentes luchan por tomar la delantera. En el experimento del ruido de disparo, llevaron sus nanocables a ese punto crítico.

Si bien los físicos aún no se ponen de acuerdo sobre por qué las cargas eléctricas parecen disolverse dentro de metales extraños, o incluso si realmente se disuelven, están decididos a descubrirlo.

"Si realmente pensamos que existe toda una categoría de metales que no entendemos", dijo Natelson, "es importante entenderlos".

Nota del editor: El Instituto Flatiron está financiado por la Fundación Simons, que también financia esta revista editorialmente independiente. Ni el Instituto Flatiron ni la Fundación Simons tienen influencia alguna sobre nuestra cobertura. Más información disponible esta página.

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