Nuevos estados cuánticos en la superficie de un misterioso material

El estudio de electrones libres en la superficie de metales sencillos y bien conocidos, como el cobre o el oro, ha proporcionado imágenes espectaculares del fenómeno de la interferencia y los pozos cuánticos.

Ahora, una colaboración internacional liderada desde la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), que incluye a investigadores de Colombia, España, Francia, Japón y Suecia, ha investigado en ese ámbito pero con un nuevo material: el superconductor de siliciuro de rutenio y uranio (URu₂Si₂).

Las observaciones, publicadas este mes en la revista Nature, demuestran por primera vez el fenómeno de cuantización de electrones en fermiones [un tipo de partícula elemental] pesados y, además, revelan un tipo de ordenamiento electrónico cuyo origen es totalmente desconocido.

Desde hace más de tres décadas, es posible obtener superficies atómicamente planas en metales sencillos. En los escalones que se pueden formar entre estas superficies, los electrones se pueden atrapar y son muy sensibles a cualquier cambio. Por ejemplo, un escalón de tamaño atómico constituye una importante barrera para su propagación. En ellos se han centrado los investigadores.

“En un peldaño entre dos escalones, los electrones casi no pueden escapar y muestran su naturaleza ondulatoria en pleno esplendor. Esto da lugar a estados cuantizados, que se caracterizan por la formación de ondas cuya distancia entre máximos varía con la energía en múltiplos enteros de un valor determinado”, explica Hermann Suderow, del departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM. 

“Hasta la fecha, estos estados solo se habían estudiado en sistemas en los que los electrones se comportan casi como si fueran partículas independientes. En los materiales cuánticos los electrones no son independientes y, como consecuencia del entrelazamiento debido a las interacciones, llevan consigo una pesada armadura”, aclara la coautora Isabel Guillamón, del mismo departamento.

El misterioso orden oculto

Po su parte, otro de los autores de la UAM, Alfredo Levy Yeyati, añade: “Nuestros resultados muestran claramente estados cuantizados de electrones altamente correlacionados y evidenciamos la interacción entre estos estados y la superconductividad. Los cálculos teóricos que soportan lo observado apuntan a que dichos estados podrían verse también en muchos otros materiales cuánticos. Además, aportan nueva evidencia experimental que serviría para entender el origen del misterioso orden oculto, mostrando la ausencia de una cierta simetría cerca de la superficie”.

Cuando los científicos hablan de orden oculto se refieren a un enigmático fenómeno de ordenamiento, diferente a cualquier otro tipo de orden electrónico conocido en los sólidos, como el magnetismo.

Como parte de los resultados, los estados cuantizados observados en la superficie del superconductor URu₂Si₂ demuestran que los electrones tienen una masa 17 veces superior a la que se encuentra en metales sencillos.

Temperaturas próximas al 0 absoluto

Esta masa adicional, según los autores, explica el hecho de que en sus experimentos tuviera que bajarse extremadamente la temperatura para poder observar los nuevos estados cuánticos. Los autores han tomado imágenes con un microscopio propio a tan solo 0,1 grados por encima del cero absoluto [0 kelvin o −273,15 °C].

“Las propiedades de los nuevos estados cuánticos nos han servido para caracterizar este misterioso material. Entre otros, hemos observado fenómenos inesperados en las esquinas de los escalones que podrían estar relacionados con el orden oculto”, subraya el primer autor, Edwin Herrera, colaborador de la Universidad Central y de la Universidad Nacional de Colombia, e investigador posdoctoral de la UAM.

“Se trata de fenómenos colectivos en los que un gran número de partículas se alían para mostrar comportamientos contraintuitivos que desafían la imaginación, como el movimiento sin disipación, la cuantización de la circulación o la protección topológica”, añade el investigador.

“Estos comportamientos –concluye– nos permiten soñar con construir dispositivos insensibles al desorden, que transporten energía sin pérdidas o que sirvan para diseñar ordenadores radicalmente diferentes como los ordenadores cuánticos”.

Referencia:

Edwin Herrera, Hermann Suderow et al. “Quantum-well states at the surface of a heavy-fermion superconductor”. Nature, 2023

Fuente: UAM