Una investigación revolucionaria descubre fenómenos ocultos en materiales cuánticos ultralimpios

En un artículo publicado en Nature Communications, los investigadores desvelan fenómenos nunca antes observados en una muestra ultralimpia del metal correlacionado SrVO3. El estudio ofrece datos experimentales que cuestionan los modelos teóricos predominantes sobre estos metales poco comunes. El equipo internacional de investigadores -del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido (PDI), Alemania; el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL); la Universidad Estatal de Pensilvania; la Universidad de Pittsburgh; el Instituto Cuántico de Pittsburgh; y la Universidad de Minnesota- cree que sus hallazgos impulsarán una reevaluación de las teorías actuales sobre los efectos de correlación de electrones, arrojando luz sobre los orígenes de fenómenos valiosos en estos sistemas, incluidas las propiedades magnéticas, la superconductividad a alta temperatura y las características únicas de los metales transparentes altamente inusuales.

El material de óxido de perovskita SrVO3 está clasificado como líquido de Fermi, un estado que describe un sistema de electrones que interactúan en un metal a temperaturas suficientemente bajas. En los metales convencionales, los electrones que conducen la electricidad se mueven de forma independiente, lo que se conoce como gas de Fermi. En cambio, los líquidos de Fermi presentan importantes interacciones mutuas entre electrones, lo que significa que el movimiento de un electrón influye mucho en los demás. Este comportamiento colectivo puede dar lugar a propiedades electrónicas únicas con profundas aplicaciones tecnológicas, proporcionando información sobre las interacciones entre electrones en metales correlacionados. SrVO3 es un sistema modelo ideal para estudiar los fenómenos de correlación de electrones debido a su simplicidad cristalina y electrónica. Esta simplicidad es crucial para comprender fenómenos complejos como el orden magnético o la superconductividad, que pueden complicar los estudios teóricos y experimentales.

Otro factor crucial para comprender los resultados experimentales que guían los modelos teóricos de los efectos de correlación de electrones es la presencia o ausencia de defectos en el propio material. El Dr. Roman Engel-Herbert, líder del estudio y Director del PDI de Berlín, declaró: "Si se quiere llegar al fondo de uno de los secretos mejor guardados de la física de la materia condensada, hay que estudiarlo en su forma más pura; en ausencia de cualquier perturbación extrínseca. Es esencial disponer de materiales de alta calidad prácticamente libres de defectos. Hay que sintetizar materiales ultralimpios".

Conseguir una muestra libre de defectos de SrVO3 ha sido hasta ahora un reto aparentemente insuperable. Empleando una innovadora técnica de crecimiento de películas finas que combina las ventajas de la epitaxia de haces moleculares y la deposición química de vapor, el equipo logró un nivel de pureza del material sin precedentes. El Dr. Matt Brahlek, primer autor del estudio publicado hoy, cuantifica la mejora: "Una medida sencilla de la pureza del material es la relación entre la facilidad con que fluye la electricidad a temperatura ambiente y a baja temperatura, denominada relación de resistividad residual, valor RRR. Si el metal contiene muchos defectos, los valores RRR son bajos, normalmente en torno a 2-5. Hemos sido capaces de sintetizar películas de SrVO3 con RRR casi 100 veces mayor, 200, abriendo la puerta al estudio de las verdaderas propiedades del metal correlacionado SrVO3. En particular, la alta calidad del material permitió acceder por primera vez a un régimen especial a campos magnéticos elevados, donde se encontraron sorpresas".

El equipo interdisciplinar de científicos quedó sorprendido al descubrir una serie de fenómenos de transporte peculiares que contrastaban fuertemente con las propiedades de transporte medidas anteriormente en muestras muy defectuosas. Sus hallazgos ponen en entredicho el antiguo consenso científico sobre el SrVO3 como simple líquido de Fermi.

Engel-Herbert explica: "Esta situación fue muy emocionante, pero también desconcertante. Mientras que en nuestras muestras altamente defectuosas reprodujimos el comportamiento del transporte del SrVO3 del que se había informado anteriormente, las mediciones idénticas en muestras ultralimpias con altos valores de RRR diferían". Los resultados de las muestras defectuosas permitieron una interpretación directa de los resultados que coincidía con las expectativas teóricas. Estos resultados se utilizaron como prueba experimental de que la interpretación teórica captaba correctamente los efectos de correlación de electrones en SrVO3. Sin embargo, el equipo descubrió que las mediciones en las muestras ultralimpias no podían explicarse tan fácilmente.

Brahlek añadió: "Una observación que llama la atención es la expectativa de que el número de electrones que transportan electricidad en un metal es independiente de la temperatura y del campo magnético. Por supuesto, esto es cierto, pero la interpretación de la cantidad medida no es una medida directa de la concentración de portadores. Más bien, esta cantidad se mezcla con otros aspectos de las propiedades del material, como la forma en que los defectos y la temperatura influyen en el flujo de electricidad. Tuvimos que profundizar en la física para entender lo que veíamos. Eso es lo que lo hace tan importante y emocionante".

Los investigadores creen que su descubrimiento puede servir de base para perfeccionar los modelos teóricos y reexaminar las opiniones e interpretaciones establecidas sobre los materiales que presentan una correlación electrónica considerable.

Engel-Herbert afirma: "Nuestro trabajo como físicos experimentales es ir más allá de los límites de la comprensión actual de la naturaleza. Ahí es donde se pueden hacer descubrimientos, donde hacemos avanzar la ciencia. Como físicos de la materia condensada, es fundamental seguir perfeccionando nuestro objeto de estudio, retándonos a nosotros mismos a superar los límites del perfeccionamiento de los materiales. Esto puede aportar nuevas perspectivas sobre el verdadero comportamiento de esta clase de materiales y permite una explicación exhaustiva de los fenómenos medidos y observados. Para ello se necesita un equipo interdisciplinar de expertos. Aunque el trabajo aún no está terminado, nuestros resultados son una oportunidad para que la comunidad recalibre sus teorías; reexaminando materiales que creíamos bien comprendidos y reevaluando su potencial de aplicación".

El equipo de investigación estaba formado por Roman Engel-Herbert, director del estudio, que concibió y diseñó el experimento junto con el investigador principal Matthew Brahlek (ahora en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge), que realizó el crecimiento, las mediciones de magnetotransporte y la modelización; Lei Zhang, Joseph D. Roth y Jason Lapano (Universidad Estatal de Pensilvania) colaboraron en el crecimiento y la caracterización, Turan Birol (Universidad de Minnesota) realizó el apoyo teórico, y Megan Briggeman, Patrick Irvin y Jeremy Levy, de la Universidad de Pittsburgh, confirmaron y validaron las mediciones de magnetotransporte a campos magnéticos elevados. El estudio contó con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU. y la National Science Foundation.