Un nuevo metal superconductor en el que los electrones fluyen como el agua

metalLos físicos saben que los electrones se comportan de forma difusa en los metales, como si formaran una especie de nube. En cambio, lo que nunca se había visto es un metal en el que los electrones tuvieran un comportamiento hidrodinámico. Es decir, fluyendo en él como agua en un tubo. Esto es lo que descubrieron los investigadores del Boston College de Estados Unidos. Los resultados del estudio se publicaron en la revista ‘Nature Communications‘.

Los electrones son partículas subatómicas cargadas negativamente. La física nos enseña que en los materiales metálicos los electrones interactúan entre sí de forma débil. De esta forma, si interactúan con otros electrones, dan lugar a movimientos llamados difusivos. Esta interacción es responsable de las específicas propiedades de los metales. Entre ellas, poder conducir la electricidad y el calor.

Por tanto, aunque existen ligeras interacciones que confieren a los metales determinadas características, los electrones se mueven como partículas individuales. En ciertos metales, sin embargo, puede suceder que los electrones interactúen fuertemente con otras entidades físicas llamadas fonones. Estos son cuasipartículas que surgen de las vibraciones de una estructura cristalina, como la de un metal.

Por lo general, los electrones son dispersados ​​por los fonones, y lo que ocurre es solo el movimiento difusivo de electrones en el material metálico. No fluyen, sino que se mueven en el material ‘como pollos sin cabeza’. Sin embargo, una teoría sugiere que cuando los electrones interactúan de manera fuerte con los fonones, pueden formar un líquido. Este fluye dentro del metal de la misma manera que el agua fluye en un tubo.

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Un nuevo tipo de metal superconductor: la ditetrelida

Los investigadores de la universidad estadounidense, dirigidos por el profesor Fazel Tafti, intentaron confirmar de forma experimental esta teoría. Para lograrlo, sintetizaron un superconductor metálico llamado ditetrelida (NbGe2) a partir de los niobio y germanio.

A través de tres tipos diferentes de pruebas experimentales, los científicos demostraron que los electrones y fonones presentan un comportamiento inusual en la ditetrelida. La primera prueba fue la medición de la resistividad eléctrica en el metal, que mostró que sus electrones tenían más masa de la que se esperaba. En segundo lugar, el análisis láser de dispersión Raman mostró que la vibración de NbGe2 cambió debido al flujo inusual de electrones.

Las partículas mostraron movimientos hidrodinámicos, como los que hemos mencionado antes. Además, las técnicas de difracción de rayos X revelaron que en la estructura cristalina del metal la masa de los electrones era tres veces mayor de lo esperado. Por tanto, los tres experimentos elaborados por Tafti y sus colegas confirmaron la hipótesis del fluido electrón-fotón.

”Fue sorprendente porque no esperábamos encontrar estos electrones pesados ​​en un metal como la ditetrelida, que es un metal simple», dijo Tafti. “Al final, nos dimos cuenta de que era la fuerte interacción electrón-fonón la responsable del comportamiento de los electrones pesados. Esto se debe a que los electrones interactúan con los fonones, que son ‘arrastrados’ por el entramado y parecen pesar más», explicó el científico en la presentación adjunta a la investigación.

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Aplicaciones futuristas

El miembro del equipo Hung-Yu Yang recalcó la importancia de haberlo experimentado con un superconductor. ”Nuestro trabajo implica que la masa de electrones más pesada de lo esperado proviene de fuertes interacciones electrón-fonón y lo hemos demostrado por primera vez en un metal superconductor«. Para respaldar este hallazgo, Yang sugiere que se podría reducir el tamaño de la muestra a nanoescala y ver si se comporta de manera diferente. Al igual que se vuelve más difícil que el agua fluya a través de un tubo a medida que el tubo se empequeñece.

Las conductividades eléctricas y térmicas de los líquidos electrón-fonón deberían ser más altas que las de los líquidos convencionales, en los que los electrones se propagan a través de metales con correlaciones electrón-electrón débiles. Sin embargo, hasta el presente estudio, estos líquidos no se habían visto nunca en el laboratorio debido a la falta de materiales adecuados con los que experimentar.

Por tanto, el descubrimiento del comportamiento fluido de la ditetrelida ha despertado mucho interés entre los investigadores involucrados en el estudio de los materiales. De hecho, una nueva clase de superconductor metálico, capaz de dar lugar a este peculiar comportamiento, podría proporcionar en el futuro el nacimiento de nuevos tipos de dispositivos electrónicos. Los superconductores son precisamente la frontera más prometedora para dar el próximo salto tecnológico.

Sin embargo, todavía no está del todo claro cuáles podrían ser las implicaciones para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y sistemas de telecomunicaciones futuristas. Los siguientes pasos son encontrar otros materiales como la ditetrelida y descubrir cómo controlar este particular movimiento de electrones. Para poder aplicarlo en el desarrollo de nuevos dispositivos que nos transporten a una sociedad de superconductores donde ya no sabremos qué son las baterías.

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Imágenes | Fikri Rasyid/Unsplash, Pawel Czerwinski/Unsplash, FLY:D/Unsplash

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