Él El año 2025 es el año de la cuántica. y, precisamente, esta disciplina no deja de dar sorpresas. A temperaturas extremadamente bajas, ciertos materiales conocidos como metales cuánticos comienzan a comportarse de maneras inesperadas, desafiando las leyes tradicionales de la física y sus principales hitos. Estos sistemas, que han intrigado a los científicos durante décadas, están en el centro de un estudio reciente dirigido por el físico Qimiao Si de la Universidad Rice. Las investigaciones han demostrado cómo Estos materiales sufren transformaciones radicales en sus propiedades electrónicasun aspecto que arroja luz sobre fenómenos fundamentales como superconductividad a altas temperaturas.
El estudio se centra en el “puntos críticos cuánticos” (QCP), donde un material se encuentra al borde de dos fases distintas, como el magnetismo y el estado no magnético. En estas condiciones extremas, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales y adoptan propiedades colectivas únicas. “Nuestro trabajo profundiza en cómo las cuasipartículas pierden su identidad en metales extraños en estos puntos críticos, lo que lleva a propiedades únicas que desafían las teorías tradicionales.”, explica Si. Este fenómeno, conocido como destrucción de kondotransforma completamente la estructura electrónica del material y abre nuevas perspectivas en la física cuántica.
Los metales cuánticos, también llamados “metales extraños”, Se comportan de manera muy diferente a los metales convencionales.. Mientras que estos últimos siguen modelos bien establecidos como Teoría del líquido de Fermimetales cuánticos presentes propiedades colectivas y no lineales que han desconcertado a los científicos durante décadas. Un aspecto crucial es que estos materiales son extremadamente sensibles a las fluctuaciones cuánticas, perturbaciones microscópicas que alteran la forma en que interactúan los electrones.
Un ejemplo destacado de este comportamiento es el cambio abrupto en la superficie de Fermique representa los posibles estados de los electrones en el material. En un punto crítico cuántico, esta superficie puede transformarse radicalmente, pasando de un estado “grande” a uno “pequeño”. Este fenómeno no sólo altera las propiedades electrónicas del material, sino que también desafía los modelos clásicos de la física de sólidos. Según el estudio, “Estos cambios ilustran cómo las interacciones cuánticas pueden superar las predicciones tradicionales.”, abriendo la puerta a nuevos descubrimientos.
Otro hallazgo clave del estudio es el concepto de “escala planckiana dinámica” (escalado dinámico planckiano), un comportamiento en el que las propiedades electrónicas de los metales cuánticos siguen patrones universales similares a fenómenos físicos como la radiación del cuerpo negro. Esto significa que la relación entre energía y temperatura en estos sistemas se rige por constantes fundamentales de la física, como como la constante de Planck.
Este fenómeno es particularmente relevante para el desarrollo de superconductores de alta temperatura. En estos materiales, la corriente eléctrica fluye sin resistencia, una propiedad que podría revolucionar tecnologías como el almacenamiento de energía y el transporte eléctrico. Según el estudio, “La escala planckiana en metales cuánticos ofrece nuevos conocimientos sobre cómo los electrones pueden formar estados superconductores en condiciones extremas”.
Los puntos críticos cuánticos representan una de las áreas más fascinantes de la física de materiales. Son estados en los que un material se encuentra exactamente en el límite entre dos fases diferentescomo el magnetismo y el estado no magnético. A diferencia de las transiciones de fase tradicionales, que dependen de cambios de temperatura (como el agua que pasa de líquido a sólido cuando se congela), las transiciones cuánticas ocurren en temperatura cero. Estas transiciones están impulsadas por fluctuaciones cuánticas, que gobiernan el comportamiento de las partículas subatómicas en condiciones extremas.
En este contexto, un punto crítico cuántico (QCP) actúa como una especie de “puente” entre dos mundos. El sistema no pertenece completamente a una fase u otra, sino que existe en un estado único y peculiar. Este fenómeno se produce cuando se ajustan parámetros externos, como la presión, el campo magnético o la composición química, para llevar el material a esta condición crítica. Según el estudio analizado, los QCP son especialmente interesantes porque generan propiedades colectivas que desafían los modelos convencionales.
A temperaturas extremadamente bajas, Las fluctuaciones cuánticas se convierten en el principal factor que determina el comportamiento del material.. Se trata de perturbaciones microscópicas e inevitables que influyen en la forma en que los electrones interactúan entre sí y con su entorno. En los puntos críticos cuánticos, estas fluctuaciones alcanzan un máximo y afectan a todo el sistema a nivel global.
En un metal cuántico, por ejemplo, estas fluctuaciones pueden hacer que los electrones actúen colectivamente, perdiendo su identidad individual. Este fenómeno da lugar a propiedades emergentes que no pueden explicarse mediante teorías tradicionales, como la teoría del líquido de Fermi, que describe el comportamiento de los electrones en los metales convencionales. Es en este régimen crítico donde se observan comportamientos únicoscomo la pérdida de cuasipartículas o el escalado dinámico de Planck, características que están redefiniendo nuestra comprensión de los materiales.
Dos materiales que ilustran perfectamente los efectos de un QCP son CePdAl y YbRh2Si2. En CePdAl, la competencia entre dos fuerzas fundamentales, el efecto Kondo y las interacciones RKKY, conduce a un estado crítico en el que el material pasa del magnetismo al estado no magnético. Este proceso va acompañado de un cambio significativo en sus propiedades electrónicas.
Por su parte, YbRh2Si2 es otro ejemplo clave. Este material muestra un cambio abrupto en su superficie de Fermi al cruzar su punto crítico cuántico. En este caso, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales, dando lugar a un estado colectivo que desafía las reglas tradicionales de conducción eléctrica. Estudios recientes han demostrado que estas transiciones también están asociadas con la destrucción de Kondo, un fenómeno en el que los momentos magnéticos dejan de interactuar con los electrones, alterando radicalmente la estructura del material.
El efecto Kondo fue descrito por el físico japonés. Jun Kondo en 1964, mientras estudiaba la anomalía en la resistencia eléctrica de ciertos metales a bajas temperaturas. En metales como el oro o el cobre con pequeñas impurezas magnéticas (como los átomos de hierro), Kondo descubrió que, en lugar de disminuir con la temperatura como es habitual, La resistencia aumentó a medida que se enfrió.. Este comportamiento inusual se explicó como resultado de la interacción entre los electrones de conducción del metal y los momentos magnéticos de las impurezas.
Kondo propuso un modelo en el que los electrones de conducción formaban un estado cuántico “singlete” con los momentos magnéticos, una interacción que reducía la energía del sistema pero aumentaba la dispersión electrónica, lo que explica el aumento de la resistencia. Este fenómeno se convirtió un pilar de la física de materialescon el fin de proporcionar una base para comprender las interacciones electrónicas en sistemas más complejos.
Cualquier descubrimiento en materia cuántica tiene un potencial tremendo. En concreto, los descubrimientos en metales cuánticos tienen aplicaciones que van más allá de la física fundamental. Estos materiales se utilizan como modelos para comprender otros sistemas complejos, como superconductores a base de hierro y compuestos orgánicos con estructuras electrónicas intrincadas. Un ejemplo es el compuesto CePdAl, en el que las interacciones entre el efecto Kondo y las fuerzas RKKY dictan su comportamiento electrónico, mostrando paralelos con los metales cuánticos.
Además, el estudio sugiere que se podrían observar fenómenos similares en otros materiales correlacionados, ampliando el alcance de la investigación hacia nuevas clases de compuestos cuánticos. Este enfoque interdisciplinario no sólo refuerza la relevancia de los metales cuánticos en la ciencia de los materiales, sino que también impulsa el desarrollo de tecnologías avanzadas basadas en sus propiedades únicas.
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