Capturando la danza secreta de los electrones 


Los científicos han capturado las primeras imágenes de electrones, cuando bajo ciertas condiciones extremas parecen tomar una masa extraordinaria, resolviendo así un misterio de 25 años acerca de cómo se comportan los electrones en los metales. Este descubrimiento podría ayudar con el diseño de nuevos materiales para superconductores de alta temperatura.

Estos hallazgos, de los científicos de la Universidad McMaster, la Universidad de Cornell, EE.UU., el Departamento de Energía de Brookhaven y Los Alamos National Laboratories, se publican en la edición actual de Nature.

"Cuando los electrones interactúan con los materiales puede pasar cosas impredecibles", dice Graeme Lucas, profesor en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad McMaster. "El pesado comportamiento fermión, donde los electrones se comportan como si su peso fuese 1.000 o más veces que su masa real, es uno de los ejemplos más fascinantes de este fenómeno. En este caso, comienzan una especie de ondulante danza que cambia la forma y la propia naturaleza de los electrones."

Usando las propiedades de un cristal compuesto de uranio, rutenio y el silicio, sintetizado por el candidato doctoral Travis Williams y miembro del grupo de Jim Garrett en Luke, y utilizando las instalaciones del Centro de crecimiento de Cristal en el Brockhouse Institute for Materials Research de McMaster, los efectos de los pesados fermiones comenzaron a aparecer cuando el material se enfríaba por debajo de los 55 grados Kelvin (-218 °C). Aunque una transición ya inusual de la fase electrónica se daba por debajo de los 17,5 Kelvin.

Utilizando una técnica desarrollada específicamente para un experimento conocido como imagen espectroscópica en escáner microscópico de túnel (SI-STM), el equipo fue capaz de seguir la disposición y las interacciones de los electrones en los cristales, pudieron ver cómo reaccionan a diferentes temperaturas y comprobar lo que ocurría cuando pasaron por la misteriosa fase de transición.

"Durante 25 años hemos sabido que existe una fase de transición en este material, pero no se podía identificar lo que estaba ocurriendo. No era de orden magnético o de superconductividad", señalaba Luke. "No sabíamos si estaba relacionado con la forma en que se comportan los electrones en un grupo, o si era el resultado de las interacciones entre los electrones individuales y los átomos de uranio. El microscopio, sin embargo, nos ha permitido ver realmente el cambio de los estados electrónicos microscópicos".

"Imagínese volando sobre un mar de agua, donde las ondas estacionarias se mueven arriba y abajo, pero no se propagan hacia la orilla", señaló el jefe del estudio Séamus Davis, físico de Brookhaven, y J.D. White, profesor distinguido en Ciencias Físicas de la Universidad de Cornell. "Cuando pasas sobre los puntos altos, puedes tocar el agua, pero en los puntos bajos, no es posible. Esto es similar a lo que hace nuestro microscopio. Las imágenes capturan la cantidad de electrones que saltan a la punta de nuestra sonda en cada punto de la superficie."

Basándose en estas mediciones de la longitud de onda y de la energía, los científicos pueden calcular la masa efectiva del electrón para bandas electrónicas específicas.

Los investigadores continúan probando una variedad de compuestos relacionados con este nuevo enfoque, para intentar comprender del todo los sistemas de fermiones pesados.

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