Un equipo de investigadores estadounidenses y chinos ha descubierto un extraño comportamiento metálico en un material en el que la carga eléctrica no es transportada por electrones, sino por entidades de tipo ondulatorio llamadas pares de Cooper.

Los "metales extraños" son una clase de materiales relacionados con los superconductores de alta temperatura y que comparten atributos cuánticos fundamentales con los agujeros negros. Estos materiales no parecen seguir las reglas eléctricas tradicionales y, por ello, han llamado la atención de los científicos en los últimos años, ya que podrían aportar conocimientos fundamentales sobre el mundo cuántico y, potencialmente, ayudar a entender fenómenos extraños como la superconductividad de alta temperatura.

El reciente descubrimiento relacionado con los metales extraños se ha publicado en la revista Nature.

En el artículo, los investigadores explican que mientras los electrones pertenecen a una clase de partículas llamadas fermiones, los pares de Cooper actúan como bosones, que siguen reglas muy diferentes a las de los fermiones.

"Tenemos estos dos tipos fundamentalmente diferentes de partículas cuyos comportamientos convergen en torno a un misterio", dijo Jim Valles, autor correspondiente del estudio. "Lo que esto dice es que cualquier teoría para explicar el extraño comportamiento de los metales no puede ser específica para ninguno de los dos tipos de partículas. Tiene que ser más fundamental que eso".

Comportamiento extraño de los metales

Valles explicó que el comportamiento extraño de los metales se descubrió por primera vez hace 30 años en una clase de materiales llamados cupratos. Estos materiales de óxido de cobre son famosos por ser superconductores de alta temperatura, lo que significa que conducen la electricidad con resistencia cero a temperaturas muy superiores a las de los superconductores normales. Pero incluso a temperaturas superiores a la temperatura crítica de la superconductividad, los cupratos actúan de forma extraña en comparación con otros metales.

A medida que aumenta su temperatura, la resistencia de los cupratos aumenta de forma estrictamente lineal. En los metales normales, la resistencia sólo aumenta hasta cierto punto, volviéndose constante a altas temperaturas, de acuerdo con lo que se conoce como teoría del líquido de Fermi. La resistencia surge cuando los electrones que fluyen en un metal chocan con la estructura atómica vibrante del metal, lo que hace que se dispersen. La teoría del líquido de Fermi establece una velocidad máxima a la que puede producirse la dispersión de los electrones.

Pero los metales extraños no siguen las reglas del líquido de Fermi, y nadie está seguro de cómo funcionan. Lo que sí saben los científicos es que la relación temperatura-resistencia en los metales extraños parece estar relacionada con dos constantes fundamentales de la naturaleza: La constante de Boltzmann, que representa la energía producida por el movimiento térmico aleatorio, y la constante de Planck, que se relaciona con la energía de un fotón.

"Para tratar de entender lo que ocurre en estos extraños metales, se han aplicado enfoques matemáticos similares a los utilizados para entender los agujeros negros", explica Valles. "Así que hay una física muy fundamental que ocurre en estos materiales".

En los últimos años, Valles y sus colegas han estudiado la actividad eléctrica en la que los portadores de carga no son electrones. En 1952, el premio Nobel Leon Cooper descubrió que en los superconductores normales (no los de alta temperatura descubiertos posteriormente), los electrones se unen para formar pares de Cooper, que pueden deslizarse por una red atómica sin resistencia. A pesar de estar formados por dos electrones, que son fermiones, los pares de Cooper pueden actuar como bosones.

"Los sistemas de fermiones y bosones suelen comportarse de forma muy diferente", afirma Valles. "A diferencia de los fermiones individuales, los bosones pueden compartir el mismo estado cuántico, lo que significa que pueden moverse colectivamente como las moléculas de agua en las ondas de una ola".

Descubrimientos sorprendentes

En 2019, Valles y sus colegas demostraron que los bosones de pares de Cooper pueden producir un comportamiento metálico, lo que significa que pueden conducir la electricidad con cierta resistencia. Eso en sí mismo fue un hallazgo sorprendente porque los elementos de la teoría cuántica sugerían que el fenómeno no debería ser posible. Para esta última investigación, el equipo quería comprobar si los metales bosónicos de pares de Cooper eran también metales extraños.

Para ello, utilizaron un material de cuprato llamado óxido de itrio y bario y cobre, provisto de pequeños agujeros que inducen el estado metálico de par de Cooper. El equipo enfrió el material hasta justo por encima de su temperatura de superconducción para observar los cambios en su conductancia. Encontraron, al igual que los metales extraños fermiónicos, una conductancia metálica de par de Cooper que es lineal con la temperatura.

Los investigadores afirman que este descubrimiento dará a los teóricos algo nuevo que masticar cuando traten de entender el comportamiento de los metales extraños.

"Ha sido un reto para los teóricos encontrar una explicación para lo que vemos en los metales extraños", dijo Valles. "Nuestro trabajo demuestra que si se va a modelar el transporte de cargas en los metales extraños, ese modelo debe aplicarse tanto a los fermiones como a los bosones, aunque estos tipos de partículas sigan reglas fundamentalmente diferentes".

En opinión de Valles, el comportamiento de los metales extraños podría ser la clave para entender la superconductividad de alta temperatura, que tiene un enorme potencial para cosas como las redes eléctricas sin pérdidas y los ordenadores cuánticos.

Fuente: WorldEnergy Trade.com 19-1-2022