La comparación de compuestos 'hermanos' puede ser la clave para resolver el rompecabezas cuántico de los materiales superconductores

31 de agosto de 2023

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por Kate Blackwood, Universidad de Cornell

Durante años, los físicos han estado tratando de explicar un fenómeno cuántico que ocurre en una gran clase de materiales superconductores: los electrones en los llamados "metales extraños" se dispersan a altas velocidades en formas afectadas por la temperatura. Descubrir por qué sucede esto en ciertos metales no convencionales podría ser la clave para muchos enigmas de materiales cuánticos, incluida la superconductividad de alta temperatura, buscada durante mucho tiempo por los físicos como un medio más eficiente de transferencia de energía eléctrica.

En dos nuevos artículos, una colaboración internacional de investigadores, incluidos físicos de Cornell, explica, a nivel microscópico, por qué dicha dispersión "planckiana" ocurre en el compuesto PdCrO2 mientras que no ocurre en su casi idéntico "hermano" PdCoO2.

La dispersión planckiana, la velocidad a la que los electrones chocan con las imperfecciones del material y entre sí, aumenta linealmente con la temperatura. Utilizando una comparación de PdCrO2 y PdCoO2, que son cristales muy limpios con propiedades bien documentadas, los investigadores dan por primera vez una descripción cuantitativamente precisa del origen de la misteriosa "tasa de dispersión planckiana" en metales que interactúan fuertemente.

"Resistividad lineal T de dispersión magnetoelástica: aplicación a PdCrO2", publicado el 28 de agosto en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

En numerosos metales extraños, el tiempo característico entre las colisiones de electrones, entre sí y contra cualquier cosa que encuentren en su camino, está determinado por la constante de Planck y la temperatura, dijo Debanjan Chowdhury, profesor asistente de física en la Facultad de Artes y Ciencias. y coautor del artículo. La gran mayoría de los superconductores de alta temperatura conocidos, cuando se calientan por encima de su temperatura superconductora, presentan esta propiedad.

Es por eso que durante un tiempo se ha creído que la clave para comprender el origen de la superconductividad de alta temperatura reside en comprender el hilo común entre estos materiales que conduce a esta escala de tiempo universal de Planck.

"La motivación detrás de esta colaboración conjunta de teoría y experimento fue tener al menos un ejemplo material donde cada propiedad relevante para el transporte eléctrico se conozca con precisión, y construir una teoría microscópica para el origen de los tiempos de dispersión planckianos", dijo Chowdhury.

"Hasta donde yo sé, este es uno de los primeros compuestos no convencionales en los que tenemos una teoría cuantitativa para el transporte a partir de un modelo microscópico del material, lo que ya coincide perfectamente con el experimento".

Hay mucho en juego para aplicar esto hacia un uso muy eficiente de la energía, y hay un enorme esfuerzo en la física de la materia condensada para comprender la causa, dijo Chowdhury. "Lo desafortunado es que estos materiales superconductores son realmente difíciles de entender y modelar teóricamente", afirmó. "Así que nuestra esperanza era centrarnos primero en un material más simple, limpio y realmente bien caracterizado para construir una teoría para este fenómeno".

El material elegido, PdCrO2, es una "delafosita" magnética (una especie de mineral de óxido de cromo) que Chowdhury llama un ejemplo paradigmático de un "material interesante correlacionado" con dos especies de electrones: un conjunto de electrones móviles que conducen electricidad libremente, y otro conjunto de electrones inmóviles que muestran magnetismo. El magnetismo electrónico del PdCrO2 es clave; en el compuesto hermano PdCoO2, todo parece igual excepto que no hay ningún indicio de magnetismo. En PdCrO2 el transporte eléctrico es planckiano, mientras que en PdCoO2 no lo es.

Pero el magnetismo en sí no es todo lo que se necesita para explicar el origen de las escalas de tiempo planckianas.

"La pieza crucial del rompecabezas resulta ser un proceso cooperativo inesperado en el que los electrones interactúan concomitantemente con las vibraciones del cristal y los espines localizados, los componentes fundamentales del magnetismo", dijo Juan Felipe Méndez Valderrama, estudiante de doctorado en física y co -autor principal con Evyatar Tulipman del Instituto de Ciencias Weizmann de Israel.

"Ahora podemos buscar nuevos materiales candidatos en los que esta interacción previamente ignorada juegue un papel dominante, y alterando uno de estos ingredientes podemos generar fenómenos completamente nuevos".

Erez Berg del Instituto Weizmann de Ciencias, Elina Zhakina del Instituto Max Planck y Andrew P. MacKenzie de la Universidad de St. Andrews son coautores de esta colaboración. Chowdhury y Berg, colaboradores desde hace mucho tiempo, decidieron unir fuerzas en el verano de 2022 cuando descubrieron por casualidad que tenían el mismo conjunto de ideas para resolver el rompecabezas experimental mientras asistían a un taller de verano en el Centro de Física de Aspen.

El estudio experimental que motivó la teoría, "Investigación del comportamiento planckiano en un óxido de alta conductividad: PdCrO2", también se publicó el 28 de agosto en PNAS con todos los autores anteriores.

"Nuestro estudio ha identificado una fuente inevitable, y previamente ignorada, de dispersión de electrones en materiales de delafossita", dijo Chowdhury. "Si bien nos centramos en un material específico, muchas de estas consideraciones son igualmente relevantes para una serie de otros materiales, posiblemente más complicados. Nuestra esperanza es que la nueva comprensión conduzca a conocimientos fundamentales sobre una clase más amplia de materiales donde el transporte eléctrico muestra la misteriosa escala de tiempo planckiana."

Más información: JF Méndez-Valderrama et al, Resistividad lineal T de dispersión magnetoelástica: aplicación a PdCrO 2, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.2305609120

Elina Zhakina et al, Investigación del comportamiento planckiano en un óxido de alta conductividad: PdCrO 2, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.2307334120

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