Físicos descubren una nueva forma extraña de la materia

publicado a la‎(s)‎ 6 nov. 2015 5:21 por José Malaguera   [ actualizado el 6 nov. 2015 7:37 ]
Kimm Fesenmaier-Caltech
 

David Hsieh dirige la trayectoria de un haz láser a través de un aparato, que se utiliza para medir la auto-organización espontánea de electrones dentro de un cristal. (Fuente: Lance Hayashida/Caltech)



Un equipo de físicos ha descubierto una forma inusual de la materia, que no es por ejemplo, un metal convencional, ni un aislante, ni un imán, se trata de algo totalmente diferente.

Esta fase, que se caracteriza por un orden inusual de electrones, ofrece posibilidades de nuevas funcionalidades en los dispositivos electrónicos y podría ser la solución a un misterio de larga data en la física de la materia condensada, que tienen que ver con la alta temperatura de la superconductividad, que es la capacidad que presentan algunos materiales de conducir la electricidad sin resistencia, incluso a temperaturas "altas" que se acercan a los -100 grados Celsius.
"El descubrimiento de esta fase fue totalmente inesperado, y no ha estado basado en ninguna predicción teórica anticipada," dice David Hsieh, profesor asistente de física en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), quien anterior a este proyecto, había pertenecido a un equipo de científicos que descubrió otra forma de materia llamada: aislante topológico.

"El área de los materiales electrónicos es impulsada por el descubrimiento de nuevas fases, que proporcionan los fundamentos que juegan un papel determinante en la búsqueda de nuevas propiedades físicas macroscópicas."
Hsieh y sus colegas describen sus hallazgos en Nature Physics. En el sitio: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3517.html#access Liuyan Zhao, es el autor principal, un investigador postdoctoral del grupo de investigación de Hsieh.

En la imagen se muestra una interpretación de un artista referente a los dominios espacialmente segregados, de orden multipolar, en el cristal Sr2IrO4. La orientación del orden multipolar en cada dominio, se representa por el objeto multilobular. (Fuente: Liuyan Zhao)




Electrones de imagen en un cristal

Los físicos hicieron el descubrimiento mientras probaban un método de medición basado en una técnica láser, que recientemente se había desarrollado para buscar el efecto denominado "orden multipolar". Para entender este fenómeno físico del "orden multipolar", se puede considerar inicialmente un cristal con electrones, los cuales se mueven alrededor de la distancia longitudinal interna del cristal. Bajo ciertas condiciones, puede ser energéticamente favorable para las cargas eléctricas, acumularse dentro del cristal y repetir este proceso de manera regular, formando lo que se denomina una "fase de carga ordenada". El bloque constructivo de este tipo de orden, es decir, la denominada convencionalmente "carga", es simplemente una cantidad escalar, que se puede describir con sólo un valor numérico, o una magnitud.

Además de la carga, los electrones también tienen un grado de libertad conocida como spin. Cuando los espines se alinean paralelos entre sí (en un cristal, por ejemplo), se forma un material ferromagnético como en un imán que podría ser utilizado en su refrigerador o que se podría utilizar en la banda de su tarjeta de crédito. Debido a que el Spin, tiene tanto una magnitud como una dirección, una "fase ordenada" de espines, puede quedar descrito por un vector.

Durante las últimas décadas, los físicos han desarrollado técnicas sofisticadas para encontrar estos dos tipos de fases. ¿Pero, que sucede, si los electrones en un material no están ordenados en una de estas dos formas? En otras palabras, ¿qué pasa si su ordenamiento no está descrito por un escalar o por un vector, sino por algo con más dimensiones, como una matriz?

Esto puede ocurrir, por ejemplo, si el bloque constructivo del "orden de fase" es un par de spins apuntando en sentido opuesto, uno apuntando al norte y el otro apuntando al sur, lo que se conoce como un cuadripolo magnético. Tales ejemplos de un "orden de fases multipolares" de la materia, son difíciles de detectar usando sondas experimentales convencionales. Como resultado, la nueva fase que el grupo de Hsieh identificó es precisamente este tipo de "orden multipolar".

Encontrando una "huella digital"

Para detectar un "orden multipolar", el grupo de Hsieh utiliza un efecto llamado "generación de armónicos ópticos", que se presenta en todos los sólidos, pero que suele ser extremadamente débil. Normalmente, cuando se mira un objeto iluminado con una sola frecuencia de la luz, toda la luz que se ve reflejada por el objeto, muestra la misma frecuencia. Al dirigir un puntero láser rojo contra una pared, por ejemplo, el ojo detecta sólo la luz roja. Sin embargo, en todos los materiales, hay una pequeña cantidad de luz que rebota, la cual tiene una frecuencia que está en relación de múltiplos enteros en referencia a la frecuencia original central generada desde el puntero. Así que con el láser rojo, también habrá algo de luz azul que rebota de la pared. Sólo que no se logra percibir con la vista, porque es un pequeño porcentaje del total de la luz. Estos múltiplos se llaman "armónicos ópticos".

El grupo de Hsieh experimenta y espera poder aprovechar el hecho, de que los cambios en la simetría de un cristal afecta la intensidad de cada armónico, de una manera diferente. Desde que surgieron los cambios en el "ordenamiento multipolar", analizar la simetría del cristal de una forma muy específica, puede ser un método en gran medida invisible para las sondas convencionales. La idea estaba centrada en que la "respuesta armónica óptica" de un cristal pudiera servir como una "huella dactilar de orden multipolar".

"Encontramos que la luz reflejada en la segunda frecuencia armónica reveló un conjunto de simetrías completamente diferentes al compararla con las simetrías de la estructura cristalina conocida, mientras que este efecto no aparece en lo absoluto en la luz reflejada a la frecuencia fundamental", asegura Hsieh. "Esta es una huella muy clara de un tipo específico de orden multipolar."

Iridates y cupratos

El compuesto específico que los investigadores estudiaron fue el óxido de estroncio-iridio (Sr2IrO4), que es un miembro de la clase de compuestos sintéticos ampliamente conocidos como iridates. En los últimos años ha habido un gran interés en el Sr2IrO4 debido a ciertas características que comparte con compuestos a base de óxido de cobre o cupratos.
Los Cupratos son la única familia de materiales conocidos que presentan la superconductividad a altas temperaturas superiores a 100 grados Kelvin (-173 grados Celsius). Estructuralmente, los iridates y los cupratos son muy similares. Al igual que los cupratos, los iridates son aislantes eléctricamente antiferromagnéticos que se vuelven cada vez más metálicos, debido a que los electrones se añaden o se eliminan a través de un proceso llamado dopaje químico. A un nivel suficientemente alto de dopaje se transforman los cupratos en superconductores de alta temperatura, y como los cupratos evolucionan de ser aislantes a superconductores, éstos transitan inicialmente a través de una fase misteriosa conocida como el "pseudogap", donde se requiere una cantidad adicional de energía para remover electrones del material.

Durante décadas, los científicos han debatido sobre el origen del  "pseudogap" y su relación con la superconductividad, contrastando, de si se trata de un precursor necesario para la superconductividad o si se concurre con una "nueva fase", que muestra un conjunto diferente de propiedades de simetría. Si este fenómeno se entiende mejor, creen los científicos, podría ser posible desarrollar materiales que puedan  superconducir a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente.

Recientemente, una fase "pseudogap" también se observó en el  Sr2IrO4, con lo que el grupo de Hsieh ha encontrado que existe un orden multipolar, y ha identificado más de una ventana de dopaje, a la temperatura donde el "pseudogap" está presente. Los investigadores todavía están investigando si los dos se superponen exactamente, pero Hsieh asegura, que el trabajo sugiere una conexión entre el orden multipolar y los fenómenos de "pseudogap".

"También han sido publicados muy recientemente papers de otros grupos de investigación, donde se comprueban características de superconductividad en Sr2IrO4 de la misma variedad que la encontrada en cupratos", asevera. "Teniendo en cuenta una fenomenología muy similar a la de los iridates y cupratos, quizás los iridates ayuden a resolver algunos de los debates de larga data acerca de la relación entre el "pseudogap" y la superconductividad de alta temperatura."

Hsieh expresa, que el hallazgo subraya la importancia de desarrollar nuevas herramientas para tratar de descubrir nuevos fenómenos. "Esto fue realmente activado por un avance técnico simultáneo", asegura. Además, añade, que podría existir este orden multipolar en muchos más materiales. "El Sr2IrO4 es el primero detectado, por lo que este tipo de "ordenamiento", muy bien, podría esperarse que esté presente en otros materiales, y eso es exactamente lo que estamos tratando de comprobar próximamente."

Coautores de las Investigaciones adicionales son: El Instituto Caltech, la Universidad de Tel Aviv, la Universidad Estatal de Iowa, y la Universidad de Kentucky. Financiado por: La Oficina de Investigación del Ejército de los EE.UU, (The Army Research Office) la National Science Foundation (NSF), el Instituto de Información Cuántica de la Materia, (the Institute for Quantum Information and Matter) y el Centro de los Límites de la Física NSF (NSF Physics Frontiers Center) con el apoyo de la Fundación Gordon y Betty Moore.
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