Físicos crean nuevo material cuántico, el semimetal Weyl-Kondo

Los autores del trabajo, de la Universidad de Rice.

Físicos estadounidenses y europeos en busca de una explicación para la superconductividad a alta temperatura crearon un material nunca antes visto en el ámbito de los materiales cuánticos topológicos, según un estudio publicado las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Qimiao Si, físico teórico de la Universidad de Rice y sus colegas en el Rice Center for Quantum Materials en Houston y la Universidad Tecnológica de Viena en Austria han creado un material llamado "semimetal de Weyl-Kondo", con propiedades de materiales dispares como aislantes topológicos, metales de fermiones pesados ​​y superconductores de alta temperatura, todos "materiales cuánticos". Se trata de compuestos en capas y otros materiales cuyo comportamiento electromagnético no puede ser explicado por la física clásica, pues en ellos los aspectos cuánticos se afirman tenazmente.

Ello, claro, solo a temperaturas muy frías, donde las fuerzas de la energía térmica pierden sustento.

El trabajo de Si se centra en el comportamiento colectivo que emerge en los materiales electrónicos que experimentan la transformación de un estado cuántico a otro. Cerca de tales puntos de transformación, o "puntos críticos cuánticos", ocurren fenómenos como la superconductividad a alta temperatura.

"El comportamiento colectivo como la criticidad cuántica y la superconductividad a alta temperatura siempre han sido el centro de nuestra atención”, dice Si.

"En los últimos dos años, varios grupos experimentales han informado de una topología no trivial en materiales conductores de estado sólido, pero es una cuestión abierta si hay estados conductores que tienen una topología no trivial y que, al mismo tiempo, interactúan fuertemente. Ninguno de estos materiales tiene se ha realizado, pero hay un gran interés en buscarlos".

En el estudio PNAS, Si dijo que él y su compañero postdoctoral Hsin-Hua Lai y la estudiante graduada Sarah Grefe estaban trabajando con un conjunto de modelos para examinar cuestiones relacionadas con la criticidad cuántica y los superconductores de alta temperatura.

"Realmente nos topamos con un modelo en el que, de repente, descubrimos que la masa había pasado de 1.000 veces la masa de un electrón a cero", dijo Lai. Esto, dijo, es una característica de los fermiones de Weyl, partículas cuánticas elusivas propuestas por primera vez por Hermann Weyl hace más de 80 años, que tienen masa cero.

Si, Lai y Grefe demostraron que estos fermiones de masa cero están íntimamente ligados a las correlaciones de electrones como a la topología no trivial. “Estos son fermiones de Weyl que se originan en una física quintaesencial de correlación fuerte llamada efecto Kondo ", dijo Grefe. "Por lo tanto, llamamos a este estado un semimetal de Weyl-Kondo".

El efecto Kondo se refiere a cómo una banda de electrones, tan fuertemente correlacionados entre sí que actúan como espines localizados, se comportan en un fondo de electrones de conducción.

Más aún, “descubrimos que el efecto Kondo hace que los fermiones Weyl se muevan con una velocidad que difiere en varios órdenes de magnitud del caso que no interactúa", dijo Lai.

"Esto nos permitió predecir que las correlaciones de electrones mejorarán una cantidad particular en la dependencia de la temperatura del calor específico por un factor alucinante de mil millones". Si dijo que este efecto es enorme, incluso para el estándar de sistemas de electrones fuertemente correlacionados, y el trabajo apunta a un principio más amplio. "El efecto Kondo en este tipo de materiales ocurre cerca del orden magnético", dijo Si.

"Nuestro trabajo previo ha demostrado que la superconductividad a alta temperatura tiende a desarrollarse en sistemas al borde del orden magnético, y este estudio sugiere que algunos estados topológicos fuertemente correlacionados se desarrollan allí también". Esto bien podría representar un principio de diseño que guiará al hallazgo de una amplia variedad de estados topológicos fuertemente correlacionados ", dijo.

Hans Huerto

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