Los Físicos Observan La Criticidad Cuántica En Una Nueva Clase De Materiales

Un nuevo descubrimiento de puntos críticos cuánticos

La descripción de un artista de un “punto crítico cuántico”, el punto en el que un material experimenta una transición de una fase a otra en el cero absoluto. El reciente descubrimiento de puntos críticos cuánticos en una clase de superconductores de hierro podría permitir a los físicos desarrollar un esquema de clasificación para la criticidad cuántica, un extraño estado electrónico que puede estar íntimamente relacionado con la superconductividad de alta temperatura. Crédito: thinkstockphotos.com/Rice University

Los físicos han descubierto nuevos “puntos críticos cuánticos” en una clase de superconductores de hierro conocidos como “oxipnictidas”, lo que amplía su comprensión de la criticidad cuántica.

La criticidad cuántica, el extraño estado electrónico que puede estar íntimamente relacionado con la superconductividad de alta temperatura, es muy difícil de estudiar. Pero un nuevo descubrimiento de “puntos críticos cuánticos” podría permitir a los físicos desarrollar un esquema de clasificación para la criticidad cuántica, el primer paso hacia una explicación más amplia.

La criticidad cuántica ocurre solo en unos pocos materiales cristalinos compuestos y ocurre en cero absoluto – la temperatura más baja posible en el universo. La escasez de observaciones experimentales de la criticidad cuántica ha dejado a los teóricos con ganas de buscar pruebas de posibles causas.

El nuevo hallazgo de “puntos críticos cuánticos” pertenece a una clase de superconductores de hierro conocidos como “oxipnictidas” (pronunciados OXEE-nick-tydes). La investigación realizada por físicos de la Universidad de Rice, Universidad de Princeton , La Universidad de Zhejiang de China y la Universidad Normal de Hangzhou, la École Polytechnique de Francia y la Universidad de Linköping de Suecia aparecen en la edición de este mes de Nature Materials.

“Uno de los desafíos del estudio de la criticidad cuántica es tratar de clasificar completamente los puntos críticos cuánticos que se han observado hasta ahora”, dijo el físico de Rice Qimiao Si, coautor del nuevo estudio. “Hay indicios de que hay más de un tipo, pero ¿nos detenemos en dos? Como teóricos, todavía no estamos en el punto en el que podamos enumerar todas las posibilidades.

“Otro desafío es que todavía hay muy pocos materiales de los que podamos decir, con certeza, que existe un punto crítico cuántico”, dijo Si. “Existe una gran necesidad, por estos motivos generales, de ampliar la base de materiales de la criticidad cuántica”.

En 2001, Si y sus colegas avanzaron una teoría para explicar cómo los puntos críticos cuánticos podrían dar a los metales aparentemente convencionales propiedades no convencionales. Los superconductores de alta temperatura son uno de esos materiales, y otro son los metales de “fermiones pesados”, llamados así porque los electrones dentro de ellos pueden parecer miles de veces más masivos de lo normal.

Los fermiones pesados ​​son sistemas prototipo de criticidad cuántica. Cuando estos metales alcanzan su punto crítico cuántico, los electrones dentro de ellos actúan al unísono y los efectos de incluso un electrón que se mueve a través del sistema tienen resultados generalizados. Esto es muy diferente de las interacciones de electrones en un material de cableado común como el cobre. Son estos efectos colectivos los que han convencido cada vez más a los físicos de un posible vínculo entre la superconductividad y la criticidad cuántica.

“El punto crítico cuántico es el punto en el que un material experimenta una transición de una fase a otra en el cero absoluto”, dijo Si, Harry C. y Olga K. Wiess, profesor de Física y Astronomía de Rice. “A diferencia de la transición de fase clásica del hielo que se derrite en agua, que ocurre cuando se proporciona calor al sistema, la transición de fase cuántica es el resultado de fuerzas mecánicas cuánticas. Los efectos son tan poderosos que se pueden detectar en todo el espacio dentro del sistema y durante mucho tiempo “.

Para observar puntos críticos cuánticos en el laboratorio, los físicos enfrían sus muestras, ya sean fermiones pesados ​​o superconductores de alta temperatura, a temperaturas extremadamente frías. Aunque es imposible enfriar cualquier cosa hasta el cero absoluto, los físicos pueden impulsar las temperaturas de transición de fase a temperaturas bajas alcanzables aplicando presión, campos magnéticos o “dopando” las muestras para alterar ligeramente el espacio entre los átomos.

Si y sus colegas han estado a la vanguardia del estudio de los puntos críticos cuánticos durante más de una década. En 2003, desarrollaron el primer método termodinámico para medir y clasificar sistemáticamente puntos críticos cuánticos. En 2004 y nuevamente en 2007, utilizaron pruebas en metales de fermiones pesados ​​para mostrar cómo los fenómenos críticos cuánticos violaban la teoría estándar de los metales: la teoría de Fermi-líquido de Landau.

En 2008, tras el descubrimiento pionero de superconductores pnictídicos a base de hierro en Japón y China, Si y sus colegas avanzaron la primera teoría que explicaba cómo se desarrolla la superconductividad a partir de un estado normal de metal malo en términos de fluctuaciones cuánticas magnéticas. También ese año, Si cofundó el Centro Colaborativo Internacional sobre Materia Cuántica (ICC-QM), un esfuerzo conjunto de Rice, la Universidad de Zhejiang, el Centro de Nanotecnología de Londres y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde, Alemania.

En 2009, Si y sus coautores ofrecieron un marco teórico para predecir cómo se comportarían los pnictides en o cerca de un punto crítico cuántico. Varias de estas predicciones se confirmaron en una serie de estudios al año siguiente.

En el estudio actual de Nature Materials, los colegas de Si y ICC-QM, Zhu’an Xu, un experimentalista de Zhejiang, y Jianhui Dai, un teórico de Hangzhou, trabajaron con Antoine Georges de École Polytechnique, Nai Phuan Ong de Princeton y otros para buscar evidencia de puntos críticos cuánticos en un compuesto metálico de fermión pesado a base de hierro hecho de cerio, níquel, arsénico y oxígeno. El material está relacionado con la familia de superconductores pnictídicos a base de hierro.

“Los fermiones pesados ​​son el sistema canónico para el estudio en profundidad de la criticidad cuántica”, dijo Si. “Hemos considerado la física de fermiones pesados ​​en los pnictidos de hierro antes, pero en esos compuestos los electrones de los elementos de hierro están ordenados de tal manera que hace más difícil estudiar con precisión la criticidad cuántica.

“El compuesto que estudiamos aquí es el primero de la familia de pnictide que resultó tener una física clara de fermiones pesados. Fue una agradable sorpresa para mí ”, dijo Si.

Mediante mediciones de las propiedades del transporte eléctrico en presencia de un campo magnético, el estudio proporcionó evidencia de que el punto crítico cuántico pertenece a un tipo no convencional propuesto en el trabajo de 2001 de Si y sus colegas.

“Nuestro trabajo en este nuevo pnictidio de fermiones pesados ​​sugiere que el tipo de punto crítico cuántico que se ha avanzado teóricamente es robusto”, dijo Si. “Esto es un buen augurio para la noción de que la criticidad cuántica puede eventualmente clasificarse”.

Dijo que es importante señalar que ahora se pueden estudiar otros homólogos, materiales similares a base de hierro, para buscar puntos críticos cuánticos.

“Nuestros resultados implican que la enorme base de materiales para las oxipnictidas, que ha sido tan crucial para la búsqueda de superconductividad de alta temperatura, también jugará un papel vital en el esfuerzo por establecer las clases de universalidad de criticidad cuántica”, dijo Si.

Otros coautores incluyen a Yongkang Lou, Yuke Li, Chunmu Feng y Guanghan Cao, todos de la Universidad de Zhejiang; Leonid Pourovskii de la École Polytechnique y la Universidad de Linköping; y SE Rowley de la Universidad de Princeton.

La investigación fue apoyada por el Programa Nacional de Investigación Básica de China, la Fundación Nacional de Ciencias de China, la NSF de la provincia de Zhejiang, los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales de China, la Fundación Nacional de Ciencias, la Corporación de Investigación de Nano Electrónica, Robert A. Welch Foundation, el Consejo de Becas de China y la Infraestructura Nacional de Computación de Suecia.

Publicación : Yongkang Luo, et al., “Criticidad cuántica de fermiones pesados ​​y destrucción del efecto Kondo en un oxipnictida de níquel”, Nature Materials, 2014; doi: 10.1038 / nmat3991

Imagen: thinkstockphotos.com/Rice University

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