"Extraño metal" es un experimento de ruido extrañamente silencioso
Fiel a su forma, un material cuántico "metal extraño" resultó extrañamente silencioso en recientes experimentos de ruido cuántico realizados en la Universidad Rice. Las mediciones de las fluctuaciones cuánticas de carga, conocidas como "ruido de disparo", constituyen la primera prueba directa de que la electricidad parece fluir a través de metales extraños en una forma inusualmente líquida que no puede explicarse fácilmente en términos de paquetes cuantizados de carga conocidos como cuasipartículas.
"El ruido se suprime en gran medida en comparación con los cables ordinarios", afirma Douglas Natelson, de Rice, autor correspondiente del estudio. "Quizá esto demuestre que las cuasipartículas no están bien definidas o que simplemente no existen y la carga se mueve de formas más complicadas. Tenemos que encontrar el vocabulario adecuado para hablar de cómo la carga puede moverse colectivamente".
Los experimentos se realizaron en hilos a nanoescala de un material crítico cuántico con una proporción precisa 1-2-2 de iterbio, rodio y silicio (YbRh2Si2), que ha sido estudiado en profundidad durante las dos últimas décadas por Silke Paschen, física del estado sólido de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien). El material contiene un alto grado de entrelazamiento cuántico que produce un comportamiento muy inusual ("extraño") en función de la temperatura, muy diferente del de metales normales como la plata o el oro.
En estos metales normales, cada cuasipartícula, o unidad discreta, de carga es el producto de incalculables interacciones diminutas entre innumerables electrones. Propuesto por primera vez hace 67 años, la cuasipartícula es un concepto que los físicos utilizan para representar el efecto combinado de esas interacciones como un único objeto cuántico a efectos de cálculos de mecánica cuántica.
Algunos estudios teóricos previos habían sugerido que la carga de un metal extraño podría no ser transportada por tales cuasipartículas, y los experimentos con ruido de disparo permitieron a Natelson, al autor principal del estudio Liyang Chen, antiguo estudiante del laboratorio de Natelson, y a otros coautores de Rice y TU Wien reunir la primera evidencia empírica directa para probar la idea.
"La medición del ruido de disparo es básicamente una forma de ver cómo de granular es la carga a medida que atraviesa algo", dijo Natelson. "La idea es que si estoy conduciendo una corriente, ésta consiste en un montón de portadores de carga discretos. Éstos llegan a una velocidad media, pero a veces están más juntos en el tiempo y otras veces están más separados".
La aplicación de la técnica en cristales de YbRh2Si2 planteó importantes retos técnicos. Los experimentos de ruido de disparo no pueden realizarse en cristales macroscópicos individuales, sino que requieren muestras de dimensiones nanoscópicas. Así pues, había que lograr el crecimiento de películas extremadamente finas pero, no obstante, perfectamente cristalinas, algo que Paschen, Maxwell Andrews y sus colaboradores de la Universidad Técnica de Viena consiguieron tras casi una década de duro trabajo. A continuación, Chen tuvo que encontrar la forma de mantener ese nivel de perfección mientras creaba cables a partir de estas finas películas, unas 5.000 veces más estrechas que un cabello humano.
Qimiao Si, coautor del estudio y catedrático de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Wiess, afirma que él, Natelson y Paschen discutieron por primera vez la idea de los experimentos cuando Paschen era profesor visitante en Rice en 2016. Si dijo que los resultados son consistentes con una teoría de la criticidad cuántica que publicó en 2001 y que ha seguido explorando en una colaboración de casi dos décadas con Paschen.
"El bajo ruido de disparo aportó nuevos conocimientos sobre cómo los portadores de carga-corriente se entrelazan con los otros agentes de la criticidad cuántica que subyace a la extraña metalicidad", dijo Si, cuyo grupo realizó cálculos que descartaron la imagen de la cuasipartícula. "En esta teoría de la criticidad cuántica, los electrones son empujados al borde de la localización, y las cuasipartículas se pierden en cualquier punto de la superficie de Fermi".
Natelson dijo que la pregunta más importante es si un comportamiento similar podría surgir en cualquiera o en todas las docenas de otros compuestos que muestran un extraño comportamiento metálico.
"A veces sientes que la naturaleza te está diciendo algo", afirma Natelson. "Esta 'metalicidad extraña' aparece en muchos sistemas físicos diferentes, a pesar de que la física microscópica subyacente es muy distinta". En los superconductores de óxido de cobre, por ejemplo, la física microscópica es muy, muy diferente a la del sistema de fermiones pesados que estamos estudiando. Todos ellos parecen tener esta resistividad lineal en temperatura que es característica de los metales extraños, y uno tiene que preguntarse si está ocurriendo algo genérico que es independiente de los bloques de construcción microscópicos que hay en su interior".
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