Uno de los mayores logros de la física cuántica ha sido reformular nuestra visión del átomo. Fuera estaba el modelo de principios del siglo XX de un sistema solar en miniatura, en el que los electrones giraban alrededor de un núcleo sólido. En cambio, la física cuántica ha demostrado que los electrones viven una vida mucho más interesante, enrollándose alrededor del núcleo en nubes que parecen globos diminutos. Estos globos se conocen como orbitales atómicos y vienen en todo tipo de formas diferentes: perfectamente redondos, bilobulados, en forma de trébol. El número de lóbulos en la bola indica cuánto gira el electrón alrededor del núcleo.

es bueno para el individuo átomos, pero cuando los átomos se unen para formar algo sólido, como una pieza de metal, por ejemplo, los electrones más externos de los átomos pueden unirse y perder de vista el núcleo del que provienen, formando muchos globos de gran tamaño que cubren toda la pieza de metal. Dejan de dar vueltas alrededor de sus núcleos y fluir a través del metal para transportar corrientes eléctricas, eliminando la diversidad de globos multilobulados.

Hoy, investigadores del Quantum Materials Center (QMC) de la Universidad de Maryland (UMD), en colaboración con teóricos del Condensed Matter Theory Center (CMTC) y el Joint Quantum Institute (JQI), produjeron la primera evidencia experimental de que un metal – y probablemente otros de su clase – tienen electrones que logran mantener una estructura multilobulada más interesante cuando se mueven a través de un sólido. El equipo estudió experimentalmente la forma de estos globos y no encontró una superficie uniforme, sino una estructura compleja. Este metal inusual no solo es fundamentalmente interesante, sino que también podría resultar útil para construir computadoras cuánticas resistentes al ruido.

Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en la revista Investigación del examen físico.

«Cuando descubrí esto por primera vez, estaba muy emocionado», dijo Hyunsoo Kim, ex investigador postdoctoral en QMC y autor principal del trabajo. «Pero llevó años estudiarlo por completo, porque no es un concepto convencional y además experimentalmente muy difícil de recopilar». datos de alta calidad.»

En 2011, el equipo descubrió por primera vez que el metal en cuestión, el bismuto de itrio platino, o YPtBi, podría convertirse en un superconductor. Algunos materiales se vuelven superconductores a temperaturas lo suficientemente bajas, perdiendo toda resistencia a la corriente eléctrica. YPtBi era un candidato improbable para la superconductividad porque tiene muchos menos electrones móviles y portadores de corriente que la mayoría. superconductores. Pero, para sorpresa de los investigadores, aun así se convirtió en un superconductor. Además, la forma en que se comportó cuando se expuso a un campo magnético demostró que no era un superconductor ordinario.

En ese momento, los investigadores sospecharon que la culpa era de la forma de los orbitales de los electrones y concluyeron que los electrones que giran y hacen más círculos en el espacio, es decir, los electrones con un momento angular más alto, formaron un estado de superconductividad sin precedentes.

“Tuvimos lo que yo llamaría evidencia circunstancial de que la superconductividad se compone de estos pares de electrones de mayor momento angular”, dice Johnpierre Paglione, profesor de física de la UMD, director de QMC y jefe del grupo experimental de esta cooperación. . «Pero realmente no había evidencia directa de estos electrones de alto momento angular».

Para recopilar evidencia más directa en los nuevos experimentos, el equipo aumentó la temperatura y estudió el material en su estado normal, no superconductor. Luego realizaron una medición clásica que traza algo parecido a la órbita atómica colectiva de todos los electrones que flotan en el metal.

Mirando dentro de un metal, uno ve átomos ordenados en ordenadas cuadrículas repetitivas, llamadas red cristalina. En un cristal, los orbitales atómicos de los electrones más externos se transforman entre sí. Esto permite que los electrones se alejen de su núcleo original y lleven corriente a través del metal. Dentro de este marco sólido, todavía existe una versión de globos orbitales, pero es más común verlos no en el espacio, donde hay muchos orbitales enormes y difíciles de manejar, sino en términos de velocidad y dirección de los electrones en movimiento. Los electrones que se mueven más rápido en el cristal forman su propio globo, un análogo colectivo de los orbitales atómicos conocido como la superficie de Fermi.

La forma de la superficie de Fermi refleja la estructura del cristal subyacente, que generalmente no se parece a la estructura orbital de los átomos individuales. Pero para materiales como YPtBi con muy pocos electrones móviles, la superficie de Fermi no es muy grande. Debido a esto, conserva algunas de las propiedades de los electrones que apenas se mueven, que se encuentran en el centro de la superficie de Fermi.

«El hecho de que la naturaleza encuentre arreglos atómicos contrarios a la intuición que permiten que la superficie de Fermi retenga las firmas orbitales atómicas es bastante genial y complejo», dice el codirector y miembro del JQI Jay Deep Sau, profesor asociado de física en la UMD e investigador teórico. colaborador en el nuevo periódico.

Para descubrir esta superficie de Fermi fría y contraria a la intuición, los investigadores pegaron un cristal de YPtBi dentro de un campo magnético y midieron la corriente que fluía a través del cristal mientras sintonizaban el campo. Al girar la dirección de campo magnético, pudieron mapear la velocidad de los electrones más rápidos en todas las direcciones. Encontraron que, similar a un orbital atómico de mayor momento angular, la superficie de Fermi tiene una forma compleja, con picos y valles en ciertas direcciones. La gran simetría del cristal en sí mismo normalmente conduciría a una superficie de Fermi con forma de bola más uniforme, por lo que fue sorprendente encontrar una estructura más complicada. Esto indicó la posibilidad de que los electrones colectivos exhibieran algo de la naturaleza de momento angular más alto de orbitales atómicos.

De hecho, los cálculos teóricos realizados por el equipo de CMTC mostraron que los resultados experimentales coincidían con un modelo de alto momento angular, lo que llevó al equipo a reclamar la primera observación experimental de un metal de alto momento angular. El equipo advierte que incluso esta evidencia experimental aún puede estar incompleta. Lo que midieron no solo depende de la superficie de Fermi, sino también de otras propiedades de los electrones, como su masa efectiva y la distribución de sus velocidades. En su trabajo, el equipo investigó sistemáticamente la dependencia del ángulo de estas otras cantidades y demostró que es muy poco probable que provoquen los picos y depresiones observados.

Además de ser fundamentalmente nuevo, este metal de mayor momento angular tiene aplicaciones potenciales para la computación cuántica. Hay predicciones de que algunos estados superconductores exóticos podrían dar lugar a propiedades que no se ven afectadas por el ruido que se produce en un punto determinado. Estas propiedades podrían codificar bits cuánticos, lo que podría permitir la creación de computadoras cuánticas mucho más robustas. Queda por ver si YPtBi es exótico en el buen sentido para que eso suceda, pero el nuevo trabajo es un paso importante para comprenderlo.

«Hay muchas piezas en el rompecabezas para entender exactamente qué tipo de superconductor tienes y si puedes explotarlo para hacer computación cuántica», dice Paglione. «Hay desafíos experimentales para obtener el resto de las piezas del rompecabezas. Pero creo que hemos recorrido un largo camino».