Nueva investigación muestra que los fonones son esenciales para las interacciones cuánticas

Comprender por qué dos partículas entrelazadas separadas cientos de kilómetros entre sí se pueden ver afectadas la una por la otra es la pregunta más acuciante en la física actual, pero los fonones, o vibraciones cuantizadas de un cristal, desempeñan un papel mucho más importante en la física de los materiales correlacionados que lo que se creía, según los estudios del proyecto DCCM, financiado por la Unión Europea.
Nueva investigación muestra que los fonones son esenciales para las interacciones cuánticas

Los investigadores de DCCM determinaron que los fonones dominan la mayoría de las interacciones en los materiales correlacionados, a diferencia de la visión, sólidamente enraizada en la literatura científica, de que las interacciones electrón-electrón son el factor influyente clave más probable. Si los científicos pudiesen descubrir cómo aprovechar las asombrosas propiedades de estos materiales cuánticos, esto podría dar lugar a una nueva ola de tecnología e innovación.

Utilizando la luz, el equipo del proyecto estudió las propiedades de los materiales y mostró que las transiciones entre fases aislantes y metálicas inducidas por luz se deben a que la luz afecta a las vibraciones de los cristales y no se producen, de hecho, cambios en las interacciones electrón-electrón.

«Estos resultados son importantes porque desafían a la mayoría de los modelos que se utilizan actualmente para describir estos materiales», explica el coordinador del proyecto, el profesor Simon Wall del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) (España). «Sugieren que existe un “ingrediente que falta”, que puede ayudarnos a avanzar de forma importante en nuestros conocimientos».

Nuevos desarrollos tecnológicos

Los hallazgos podrían dar lugar a nuevas innovaciones tecnológicas. Los materiales correlacionados presentan un gran potencial por sus propiedades espectaculares, como la superconductividad a alta temperatura y la capacidad de cambiar entre estados aislantes y metálicos a altas temperaturas. Pero la falta de conocimientos sobre cómo se producen estos fenómenos en estos materiales exactamente dificulta su incorporación en dispositivos y sistemas nuevos. Existe otro problema debido a que los científicos necesitan separar los materiales para estudiarlos con más detalle, pero puesto que las interacciones electrónicas y de espín compiten en una escala de energía similar, no es tarea fácil.

También es necesario conocer con más profundamente los materiales cuánticos a nivel de escala nanométrica para poder incorporarlos con eficacia en nuevas tecnologías, ya que la fuerte competencia entre las interacciones de los electrones y el magnetismo a esta escala puede dar lugar a cambios radicales. Otro resultado del proyecto fue el desarrollo de una nueva técnica de captación de imágenes que permite a los científicos visualizar distintos fenómenos en materiales cuánticos por primera vez, lo cual podría permitir a los científicos estudiar con más detalle las propiedades de estos materiales a escala nanométrica.

Entre los tipos de dispositivos que se podrían desarrollar figuran los superconductores de alta temperatura, que podrían sustituir a los costosos imanes en sistemas de RMN o en aceleradores de partículas, que requieren una refrigeración hasta temperaturas extremadamente bajas para funcionar correctamente. La funcionalidad magnética y electrónica de los materiales cuánticos también se podría utilizar en nuevas memorias no volátiles de alta velocidad.

La anarmonicidad de red y los orígenes de la superconductividad a alta temperatura

Los próximos pasos para los investigadores de DCCM se seguirán centrando en el papel que desempeñan los fonones en la superconductividad a alta temperatura. Participarán en el proyecto SEESUPER, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), que pretende examinar si la anarmonicidad de red puede explicar los orígenes de la superconductividad a alta temperatura. La anarmonicidad de red permite a los fonones, que normalmente serían independientes, acoplarse entre sí. A su vez, este acoplamiento puede modificar la interacción entre los electrones y la red y puede ser un factor potenciador de la superconductividad. El objetivo será aplicar las técnicas desarrolladas en DCCM para examinar cómo los defectos nanométricos y la separación de fases modifican la anarmonicidad y si este hecho puede explicar el origen de la superconductividad a alta temperatura.

Life Sciences

Palabras clave

DCCM, materiales correlacionados, cuántico, luz, física

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