Cuando los electrones desaparecen lentamente durante el enfriamiento

04.08.2023 - Alemania

El Prof. Dr. Hans Kroha con estudiantes.

Bernadett Yehdou/Uni Bonn

Muchas sustancias cambian sus propiedades cuando se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica. Una transición de fase de este tipo se produce, por ejemplo, cuando el agua se congela. Sin embargo, en ciertos metales se producen transiciones de fase que no existen en el macrocosmos. Surgen debido a la mecánica cuántica. Se cree que el concepto de electrones como portadores de carga eléctrica cuantizada ya no se aplica cerca de estas transiciones de fase exóticas. Investigadores de la Universidad de Bonn y la ETH de Zúrich han encontrado ahora una forma de demostrarlo directamente. Sus hallazgos permiten comprender mejor el exótico mundo de la física cuántica. La publicación acaba de aparecer en la revista Nature Physics.

Si se enfría el agua por debajo de cero grados centígrados, se solidifica y se convierte en hielo. En el proceso, cambia bruscamente sus propiedades. Como hielo, por ejemplo, tiene una densidad mucho menor que en estado líquido, razón por la cual los icebergs flotan. En física, esto se denomina transición de fase.

Pero también hay transiciones de fase en las que los rasgos característicos de una sustancia cambian gradualmente. Si, por ejemplo, un imán de hierro se calienta hasta 760 grados Celsius, pierde su atracción por otros trozos de metal: ya no es ferromagnético, sino paramagnético. Sin embargo, esto no ocurre de forma brusca, sino continua: Los átomos de hierro se comportan como pequeños imanes. A bajas temperaturas, se orientan paralelos entre sí. Cuando se calientan, fluctúan cada vez más alrededor de esta posición de reposo hasta que se alinean completamente al azar, y el material pierde por completo su magnetismo. Así, mientras el metal se calienta, puede ser tanto algo ferromagnético como algo paramagnético.

Las partículas de materia no pueden destruirse

Así pues, la transición de fase se produce gradualmente, por así decirlo, hasta que finalmente todo el hierro es paramagnético. Por el camino, la transición se ralentiza cada vez más. Este comportamiento es característico de todas las transiciones de fase continuas. "Lo llamamos 'ralentización crítica'", explica el Prof. Dr. Hans Kroha, del Centro Bethe de Física Teórica de la Universidad de Bonn. "La razón es que con las transiciones continuas, las dos fases se acercan energéticamente cada vez más". Es similar a colocar una pelota en una rampa: Entonces rueda cuesta abajo, pero cuanto menor es la diferencia de altitud, más despacio rueda. Cuando se calienta el hierro, la diferencia de energía entre las fases disminuye cada vez más, en parte porque la magnetización desaparece progresivamente durante la transición.

Esta "ralentización" es típica de las transiciones de fase basadas en la excitación de bosones. Los bosones son partículas que "generan" interacciones (en las que, por ejemplo, se basa el magnetismo). En cambio, la materia no está formada por bosones, sino por fermiones. Los electrones, por ejemplo, pertenecen a los fermiones.

Las transiciones de fase se basan en el hecho de que las partículas (o también los fenómenos provocados por ellas) desaparecen. Esto significa que el magnetismo en el hierro se hace cada vez más pequeño a medida que se alinean menos átomos en paralelo. "Los fermiones, sin embargo, no pueden destruirse debido a las leyes fundamentales de la naturaleza y, por tanto, no pueden desaparecer", explica Kroha. "Por eso normalmente nunca intervienen en las transiciones de fase".

Los electrones se convierten en cuasipartículas

Los electrones pueden unirse a los átomos; entonces tienen un lugar fijo que no pueden abandonar. En cambio, algunos electrones de los metales se mueven libremente, por lo que también pueden conducir la electricidad. En ciertos materiales cuánticos exóticos, ambas variedades de electrones pueden formar un estado de superposición. Esto produce lo que se conoce como cuasipartículas. Son, en cierto sentido, inmóviles y móviles al mismo tiempo, una característica que sólo es posible en el mundo cuántico. A diferencia de los electrones "normales", estas cuasipartículas pueden destruirse durante una transición de fase. Esto significa que en ellas también pueden observarse las propiedades de una transición de fase continua, en particular, la ralentización crítica.

Hasta ahora, este efecto sólo podía observarse indirectamente en experimentos. Investigadores dirigidos por el físico teórico Hans Kroha y el grupo experimental de Manfred Fiebig en la ETH de Zúrich han desarrollado ahora un nuevo método que permite identificar directamente el colapso de cuasipartículas en una transición de fase, en particular la ralentización crítica asociada.

"Esto nos ha permitido demostrar por primera vez de forma directa que dicha ralentización también puede producirse en fermiones", afirma Kroha, que también es miembro del Área de Investigación Transdisciplinar "Materia" de la Universidad de Bonn y del Clúster de Excelencia "Materia y Luz para la Computación Cuántica" de la Fundación Alemana de Investigación. El resultado contribuye a una mejor comprensión de las transiciones de fase en el mundo cuántico. A largo plazo, los hallazgos también podrían ser útiles para aplicaciones en tecnología de la información cuántica.

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Publicación original

Chia-Jung Yang, Kristin Kliemt, Cornelius Krellner, Johann Kroha, Manfred Fiebig und Shovon Pal: "Critical slowing down near a magnetic quantum phase transition with fermionic breakdown."; Nature Physics.

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