Los experimentos con un superconductor no convencional muestran que un cambio en las propiedades de los electrones del material puede, inesperadamente, hacer que el material se vuelva dramáticamente menos rígido

(Physics)-Los electrones que fluyen a través de una red cristalina generalmente no toman las decisiones: su comportamiento generalmente lo establece la estructura de la red. Pero ciertos materiales exhiben un acoplamiento electrón-red que permite que los electrones de conducción influyan en el comportamiento de la red. Se predice que esta versión electrónica de «menear al perro» será bastante débil, por lo que resulta sorprendente que los experimentos con un superconductor no convencional ahora descubran un gran ablandamiento de la red del material impulsado por electrones [1 ] . El hallazgo podría proporcionar nuevos conocimientos sobre los mecanismos subyacentes a la superconductividad no convencional.

La red en un material cristalino es una estructura periódica de átomos unidos por enlaces electrostáticos. Ese marco dicta las propiedades de los electrones que se mueven a través del material. Por ejemplo, si la red se altera aplicando tensión mecánica o agregando átomos dopantes, los momentos de los electrones cambiarán en consecuencia, lo que puede afectar la estructura de bandas electrónicas del material.

Este estado subordinado de los electrones de conducción tiene sentido, dado su número relativamente pequeño, explica Hilary Noad del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania. Ella señala que los electrones de conducción son superados en número por los electrones de valencia, aquellos que permanecen fijos a los átomos y crean los enlaces que mantienen unida la red. Se espera que los electrones de valencia controlen la elasticidad o suavidad de un material, dice Anna Böhmer, experimentalista de estado sólido de la Universidad Ruhr de Bochum en Alemania, que no participó en el estudio. «Intuitivamente, los electrones de conducción deberían tener sólo un efecto menor sobre las propiedades de la red», añade.

A pesar de esa intuición general, los físicos han identificado escenarios en los que los electrones de conducción podrían tener ventaja. Uno de los primeros en sugerir esta posibilidad fue el físico soviético Ilya Lifshitz [ 2 ]. En 1960, calculó que los electrones podrían inducir un ablandamiento del 0,01% de la estructura reticular de un conductor si el paisaje energético de los electrones cambiaba repentinamente. Esta transición electrónica (ahora llamada transición de Lifshitz) ocurre cuando el límite entre los estados de electrones ocupados y desocupados toma una forma diferente. «Lifshitz incluyó la predicción en una nota a pie de página porque esperaba que el efecto fuera bastante pequeño», dice Noad. Ahora ella y sus colegas han encontrado un caso que trastoca esa expectativa.

El equipo realizó experimentos con el superconductor rutenato de estroncio (Sr 2 RuO 4 ). El material tiene una estructura electrónica bidimensional en la que los electrones fluyen predominantemente a lo largo de planos dentro de una estructura cristalina. El equipo colocó un cristal de Sr 2 RuO 4 en un dispositivo hecho a medida que lo comprimió a lo largo de un solo eje, provocando un acortamiento (deformación) observable del material. El dispositivo se utilizó simultáneamente para medir la tensión en el material: su resistencia a la compresión. Y a partir de esas mediciones, el equipo derivó el módulo elástico, que cuantifica la rigidez del material.

Los investigadores observaron que la rigidez inicialmente aumentaba al aumentar la tensión, antes de caer brevemente y luego volver a subir. La caída abrupta de la rigidez se produjo en una transición de Lifshitz conocida en Sr 2 RuO 4 , lo que sugiere que los electrones fueron responsables del ablandamiento. Para probar esta dominancia electrónica, los investigadores exploraron la dependencia de la temperatura del ablandamiento, lo que indicó que el ablandamiento estaba relacionado con un gran aumento de la entropía en Sr 2 RuO 4 . Ese salto de entropía podría provenir de excitaciones de la red, pero trabajos anteriores mostraron que una fuente de red era poco probable a las bajas temperaturas (alrededor de 4 K) de los experimentos. En cambio, el modelo del equipo indica que el salto de entropía está ligado a un pico repentino en la transición de Lifshitz en la densidad de los estados electrónicos. «La imagen básica que tengo es que de repente los electrones pueden hacer mucho más, y esa libertad suaviza la red», dice Noad.

El equipo estimó que el ablandamiento de la red fue de alrededor del 10%, aproximadamente 1000 veces mayor que el ablandamiento que predijo Lifshitz. «El ablandamiento de la red a lo largo de la transición de Lifshitz es notablemente grande», dice el teórico de la materia condensada Rafael Fernandes de la Universidad de Minnesota. Lo compara con otro ablandamiento asociado a la nemática electrónica, un efecto en el que las interacciones de los electrones inducen un cambio en la simetría rotacional de un material, como ocurre, por ejemplo, en los superconductores a base de hierro. La expectativa inicial de Fernandes era que el ablandamiento relacionado con Lifshitz sería mucho menor que el ablandamiento electrónico-nemático, pero son más o menos iguales.

Fernandes dice que Noad y sus colegas dan argumentos sólidos de por qué el ablandamiento es tan grande: que el Sr 2 RuO 4 tiene propiedades únicas (un carácter bidimensional y una transición entre orbitales d correlacionados ) que conducen a una sensibilidad de la red más fuerte que la observada en otros conductores. «Creo que este trabajo muestra de manera convincente otro caso más en el que la red y el sistema electrónico no son meros espectadores uno del otro, sino grados de libertad entrelazados», dice Fernandes.

Una vez explicado el ablandamiento de la red, Noad dice que lo primero de su lista de tareas pendientes ahora es investigar posibles conexiones entre este comportamiento recién observado y las propiedades superconductoras del Sr 2 RuO 4 . Ella dice que, curiosamente, el ablandamiento de la red se produce a una presión donde la temperatura de transición superconductora del Sr 2 RuO 4 alcanza su punto máximo. Eso podría indicar que la superconductividad no convencional en Sr 2 RuO 4 proviene de algún acoplamiento entre los sistemas de electrones y reticulares, dice Noad. Böhmer coincide en que el Sr 2 RuO 4 es un material notable que puede contener más sorpresas. «La interrelación de las propiedades de los electrones y la red es un tema realmente apasionante en la vanguardia de la investigación actual sobre materiales cuánticos», afirma.

 

Por: Michael Schirber

Michael Schirber es editor correspondiente de  la revista Physics con sede en Lyon, Francia.

Referencias

HML Noad et al. , “Ablandamiento de red gigante en una transición de Lifshitz en Sr 2 RuO 4 ”, Science 382 , ​​447 (2023) .

IM Lifshitz, “Anomalías de las características electrónicas de un metal en la región de alta presión”, Sov. Física. JETP 11 , 1130 (1960).