El descubrimiento conecta de forma experimental los mundos de la mecánica clásica y cuántica y aclara la naturaleza misteriosa de la transición de Mott. También podría arrojar luz sobre la física del no equilibrio, que es poco conocida, pero gobierna la mayor parte de lo que ocurre en nuestro mundo. El hallazgo también puede representar un paso hacia componentes electrónicos más eficientes basados en la transición de Mott
Un equipo internacional de investigadores, entre ellos el Instituto MESA+ de Nanotecnología de la Universidad de Twente, en los Países Bajos, y el Departamento de Laboratorio Nacional de Argonne, anunció esta semana en Science la observación de una transición dinámica de Mott en un superconductor.
Desde que se crearon sus cimientos en la primera parte del siglo 20, los científicos han estado tratando de reconciliar la mecánica cuántica con las reglas de la física clásica o newtoniana (como la manera en que usted describe la trayectoria de una manzana lanzada al aire, o cómo cae de un árbol). Los físicos han hecho avances en la vinculación de los dos enfoques, pero los experimentos que conectan las dos siguen siendo pocos y distantes entre sí; los fenómenos de la física se suelen clasificar como cuánticos o clásicos, pero no ambos a la vez.
Los científicos anunciaron la primera observación de la transición de Mott de un vórtice dinámico, que conecta de forma experimental el mundo de la mecánica cuántica y la física clásica y podría arrojar luz sobre el mundo poco conocido de la física del no equilibrio. CRÉDITO: Imagen cortesía de Valerii Vinokur, Argonne National Laboratory/Ciencia
Se encuentra un sistema que une los dos en los superconductores, materiales que conducen la electricidad perfectamente cuando se los enfría a temperaturas muy bajas. Los campos magnéticos penetran en el material superconductor en forma de diminutos filamentos llamados vórtices, que controlan las propiedades electrónicas y magnéticas de los materiales.
Estos vórtices muestran ambas propiedades: clásica y cuántica, lo que llevó a los investigadores a estudiarlos para acceder a uno de los fenómenos más enigmáticos de la moderna física de la materia condensada: la transición de Mott de aislante a metal.
La transición de Mott se produce en ciertos materiales que, de acuerdo con la mecánica cuántica de los libros de texto deben ser metales, pero en realidad se vuelven aislantes. Siendo un fenómeno complejo, controlado por las interacciones de muchas partículas cuánticas, la transición de Mott sigue siendo un misterio. Incluso no está muy claro si es o no un fenómeno clásico o cuántico. Por otra parte, los científicos nunca han observado directamente una transición dinámica de Mott, en la que una transición de fase desde un aislante a un estado metálico es inducida haciendo circular una corriente eléctrica a través del sistema; el desorden inherente a los sistemas reales disfraza las propiedades de Mott.
En la Universidad de Twente, los investigadores construyeron un sistema que contiene 90.000 islas superconductoras de niobio de tamaño nanométrico en la parte superior de una película de oro. En esta configuración, a los vórtices les resulta energéticamente más fácil asentarse en hoyuelos de energía en una disposición como una caja de huevos… y hacer que el material actúe como un aislante Mott, ya que los vórtices no se moverán si la corriente eléctrica aplicada es pequeña.
Cuando se aplica una corriente eléctrica lo suficientemente grande, sin embargo, los científicos observaron una transición de Mott dinámica cuando el sistema cambió para convertirse en un conductor metálico; las propiedades del material habían cambiado cuando la corriente lo empujó fuera de su equilibrio.
El sistema de vórtice se comportó exactamente como una transición de Mott electrónica impulsada por la temperatura, dijo Valerii Vinokur, un miembro distinguido de Argonne y el autor del estudio. Él y la coautora, Tatyana Baturina, entonces en Argonne, analizaron los datos y reconocieron el comportamiento Mott.
«Esto materializa en forma experimental la correspondencia entre cuántica y física clásica», dijo Vinokur.
«Podemos inducir de forma controlada una transición de fase entre un estado de vórtices cerrados a vórtices itinerantes mediante la aplicación de una corriente eléctrica al sistema», dijo Hans Hilgenkamp, jefe del grupo de investigación de la Universidad de Twente. «El estudio de estas transiciones de fase en nuestros sistemas artificiales es interesante por derecho propio, pero también puede proporcionar una mayor comprensión de las transiciones electrónicas en materiales reales.»
El sistema podría ofrecernos más científicos con visión en dos categorías de la física que han sido difíciles de entender: los sistemas de muchos cuerpos y los sistemas fuera del equilibrio.
«Este es un sistema clásico en el que es fácil de experimentar y ofrece lo que parece ser un acceso a sistemas de muchos cuerpos muy complicados», dijo Vinokur. «Se parece un poco a la magia».
Como su nombre indica, los problemas de muchos cuerpos implican una gran cantidad de partículas que interactúan; con la teoría actual son muy difíciles de modelar o entender.
«Por otra parte, este sistema será la clave para la creación de un conocimiento general de una física sin equilibrio, lo que sería un gran avance en la física», dijo Vinokur.
El Departamento de Energía nombró cinco grandes desafíos científicos en energía básica de nuestro tiempo; uno de ellos es la comprensión y el control de los fenómenos fuera de equilibrio. Los sistemas en equilibrio —donde no hay energía que se mueve en torno— ahora se entienden bastante bien. Sin embargo, casi todo en nuestras vidas implica flujo de energía, a partir de la fotosíntesis hasta la digestión, y los ciclones tropicales, y todavía no tienen una física para describirlos bien. Los científicos creen que una mejor comprensión podría llevar a grandes mejoras en la captación de energía, en las baterías y en el almacenamiento de energía, en los componentes electrónicos, y mucho más.
Mientras buscamos hacer la electrónica más rápida y más pequeña, los sistemas de Mott también prometen una posible alternativa al transistor de silicio. Puesto que se los puede cambiar entre conductores y aislantes con pequeños cambios en el voltaje, pueden ser capaces de codificar 1s y 0s a escalas más pequeñas y con una precisión mayor que los transistores de silicio.
‘Al principio, estábamos estudiando las estructuras por razones completamente diferentes, a saber, para investigar los efectos de la falta de homogeneidad en la superconductividad», dijo Hilgenkamp.»Después de discutir con Valerii Vinokur en Argonne, buscamos más específicamente en nuestros datos y quedamos bastante sorprendidos al ver que se revelaron tan bien los detalles de la transición entre el estado de vórtices bloqueados y en movimiento. Hay muchas ideas para continuar los estudios, y esperamos que nuestra colaboración continúe».
Los resultados se publicaron en el estudio «Critical behavior at a dynamic vortex insulator-to-metal transition», publicado en la revista Science. Otros co-autores están asociadas a la rama siberiana de la Academia Rusa de Ciencias, el Centro Internacional de Roma para la Ciencia de los Materiales, Superstripes (RICMASS), la Universidad Estatal de Novosibirsk, el Instituto de Moscú de Física y Tecnología y la Universidad Queen Mary de Londres.
Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti
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