A partir de la reinterpretación de varios experimentos que no “encajaban” con el modelo teórico predominante, un equipo de físicos demostró que existe un estado líquido de los electrones distinto al ya conocido. Fue a partir de experimentos con moléculas de hierro y oro. El trabajo puede tener implicancias en el futuro de la electrónica molecular

Por Laura García Oviedo / Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro 

Al explicar por qué los metales conducen electricidad, el físico Enrico Fermi planteó que sus electrones se comportan como un gas cuántico. Fue su colega Lev Davidovich Landau quien demostró que bajo ciertas condiciones, al interaccionar entre ellos, los electrones pueden comportarse como un “líquido de electrones”, aumentando, por ejemplo, su masa. Ese estado descripto por Landau se llama “líquido de Fermi”, en reconocimiento al entendimiento de la física de los electrones desarrollado por el pionero de la física cuántica.

Ahora, un equipo de físicos de Argentina y Eslovenia planteó la existencia de un nuevo tipo de “líquido de electrones” en metales. Lo hizo al describir un comportamiento diferente de electrones en moléculas de un compuesto de hierro sobre oro, que puede pasar de ser buen conductor de electricidad a mal conductor al alterar el campo magnético. Este nuevo conocimiento podría ayudar en el desarrollo de interruptores de electrónica molecular.

El nuevo trabajo teórico, en el que participa un docente del Instituto Balseiro, se hizo a partir de la evaluación de estudios experimentales previos, publicados por otros científicos, a muy bajas temperaturas, cercanas al “cero absoluto”. El compuesto bajo estudio se llama “ftalocianina de hierro sobre oro” y se observó su comportamiento en temperaturas del orden de 1 grado Kelvin, esto es, a -272 grados Celsius. El problema era que las explicaciones previas de esos resultados experimentales eran contradictorias con lo ya conocido.

A partir de una nueva mirada teórica, en un artículo publicado en la prestigiosa revista Nature Communications el viernes 15 de octubre, los autores afirman que han hallado la primera realización experimental confirmada de ese nuevo tipo de “líquido de electrones”. Plantean que es distinto al descripto por Landau, y por eso lo llamaron “líquido de Fermi no Landau”.

Los metales y sus electrones

Landau postuló que en los metales, un sistema de electrones con interacciones fuertes, que se conoce como “líquido de Fermi”, es muy parecido en su comportamiento a uno sin interacciones, que se llama “gas de Fermi”. Un ejemplo del primero es el hierro a altas temperaturas, mientras un ejemplo del segundo es el sodio.

“El líquido de Fermi de Landau, donde hay electrones con interacciones fuertes, describe el comportamiento de metales ordinarios”, comentó el doctor en Física Armando Aligia, uno de los autores del paper publicado en Nature Communications. El físico es egresado y profesor del Instituto Balseiro, institución dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).

Los metales han acompañado al ser humano en gran parte de su historia, y en la actualidad no podría haber dispositivos electrónicos sin los mismos. Su conductancia, esto es, la capacidad para transportar electricidad de forma eficiente, varía según sus propiedades físico-químicas. Y por eso desde la ciencia se los estudia, en detalle, en busca de propiedades que los hagan más eficientes.

Aligia, que es investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CONICET-CNEA) en el Centro Atómico Bariloche, explicó al Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro, que con sus colegas postulan la existencia de un nuevo tipo de comportamiento en metales con electrones que interactúan.

En este caso, el metal actúa como si fuera, salvando las distancias, “Bruce Banner y Hulk” porque logra cambiar de forma inesperada su conductancia de un valor muy bajo a un valor muy alto. En otras palabras, el metal pasa de ser resistente o ser un líquido de Fermi no Landau, a conducir electricidad de forma muy eficiente o ser un líquido de Fermi Landau, y al revés. Esto ocurre al modificar determinados parámetros, como por ejemplo la distancia entre la molécula de hierro y el sustrato de oro.

El postulado teórico de la existencia de un “líquido de Fermi no Landau” había sido planteado en 2019 por cuatro investigadores: Luis Manuel y Germán Blesio, del Instituto de Física de Rosario; y Armando Aligia y Pablo Roura Bas del Centro Atómico Bariloche. Pero faltaba, hasta ahora, un correlato experimental de las predicciones teóricas. El nuevo artículo fue realizado por Manuel, Blesio, Aligia, de CONICET de Argentina, y por Rok Zitko, del Instituto Josef Stefan y de la Facultad de Matemáticas y Física de la Universidad de Ljubljana, de Eslovenia.

Diferencias: de un pájaro a un tigre

Ahora bien, ¿qué otras características tiene el “líquido de Fermi”, también llamado “líquido de Fermi Landau” y en qué se diferencia del “no Landau”? “En el líquido de Fermi Landau podemos decir que si uno pudiera ‘prender’ artificialmente las interacciones, o sea los choques entre electrones, de a poquito, el sistema va cambiando pero siempre se parece al original”, dijo Aligia. Y compara: “Es como tener un gato que se agranda y se transforma en tigre pero siempre tiene el mismo aspecto”.

El profesor del Instituto Balseiro detalló que en el régimen de líquido de Fermi Landau, lo que se observa mediante imágenes de un microscopio electrónico de efecto túnel (“STM”, por sus siglas en inglés), es “un pico en la conductancia eléctrica a bajo voltaje, esto es, derivada de la corriente respecto del voltaje”. Y que ese pico se mantiene cambiando los parámetros del sistema.

“En cambio, en el líquido de Fermi no Landau, el gato en algún punto salta a un pájaro”, ilustró Aligia. De ser un buen conductor y tener un pico de conductancia eléctrica, pasa a un mal conductor y un valle en la conductancia. Se trata de algo que se denomina “transición de fase cuántica topológica” y que se explica por las propiedades cuánticas de este tipo de compuesto estudiado.

El profesor remarcó que es como si el sistema pasara en algún punto crítico de buen conductor, con alta conductancia, a casi aislante, con baja conductancia. “Esta transición es abrupta, porque salta un número topológico de 0 a 1 al modificar algún parámetro, y esto podría usarse en transistores moleculares. Cambiando un parámetro el sistema deja pasar o no la corriente eléctrica”, detalló.

Otras miradas

El físico Aníbal Iucci, investigador del CONICET y profesor en la Universidad Nacional de La Plata, que no participó en esta investigación, comentó que “las ftalocianinas son moléculas grandes con un átomo metálico, usualmente magnético, en el centro, tal como el hierro o el manganeso, y que poseen múltiples aplicaciones, fundamentalmente como pigmentos pero también en la construcción de paneles LCD y en celdas solares”.

“Si bien existen numerosos experimentos realizados sobre compuestos de este tipo, ninguna teoría o explicación da cuenta de manera satisfactoria de todos ellos y, en especial de la forma en que la corriente eléctrica atraviesa estas moléculas”, dijo Iucci. Y agregó que este nuevo trabajo logra explicar en forma consistente y unificada los experimentos en estas moléculas “apelando al concepto de transición de fase cuántica topológica, en la que las propiedades de un sistema cambian en forma abrupta sin cambiar sus simetrías, una idea sobre la que existe actualmente mucho interés por sus potenciales aplicaciones en computadoras cuánticas”.

Por su parte, el físico Adrián Feiguin, profesor del Departamento de Física de la NortheasternUniversity, de los Estados Unidos, y que tampoco participó en la investigación, comentó que el trabajo apunta a describir resultados experimentales recientes en el contexto de una teoría muy novedosa. “Los experimentos miden un comportamiento de la conductancia muy inusual, en el que una supresión de la conductancia aparece donde se esperaría un pico, y el pico emerge al aplicar un campo magnético. Varias teorías para explicar este fenómeno han sido propuestas, pero todas tienen puntos contenciosos o asumen hipótesis que no son consistentes con las condiciones del experimento o la estructura de la muestra”, dijo.

Feiguin señaló que el artículo recién publicado ofrece “una nueva perspectiva en el que toda la fenomenología de los experimentos puede ser claramente explicada con una teoría relativamente sencilla y sumamente elegante”. Y agregó que los resultados representan la primera demostración experimental de esta teoría, expandiendo el conocimiento de estos fenómenos cuánticos en direcciones poco sospechadas. “Al mismo tiempo ofrecen un método experimental para poder manipular la conductancia del sistema al nivel de una sola molécula, lo cual se puede trasladar en interesantes aplicaciones tecnológicas”, dijo Feiguin.

Ante la consulta de qué sensación tiene con respecto al nuevo aporte, Aligia contó que tuvieron que hacer nuevos cálculos y extender la teoría a situaciones con campo magnético aplicado. “No sucede con mucha frecuencia pero cada tanto aparecen experimentos que confirman predicciones teóricas. Naturalmente estamos muy contentos”, dijo.

Asimismo, el físico destacó: “Agradezco a la educación pública argentina incluyendo al Instituto Balseiro, a la que le debo mi formación, y quisiera reconocer a mi director de doctorado, Blas Alascio, desaparecido el año pasado, quien me introdujo en modelos similares a los usados en el trabajo”.

La postulación teórica de que existe una demostración experimental de la existencia del “líquido de Fermi no Landau” no se había realizado hasta ahora en ningún otro lugar en el mundo. Ahora habrá que esperar respuestas de la comunidad científica, y nuevos experimentos.