Los metales extraños, así conocidos porque su resistencia eléctrica aumenta de forma lineal en relación con la temperatura a medida que aumenta, son un nuevo estado de la materia.

Generar una comprensión teórica de metales extraños es uno de los mayores desafíos en la física de la materia condensada. Ahora, utilizando técnicas computacionales de vanguardia, los investigadores del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York y la Universidad de Cornell han resuelto el primer modelo teórico robusto de metales extraños.

El trabajo revela que los metales extraños son un nuevo estado de la materia, informan los investigadores el 22 de julio en Proceedings of the National Academy of Sciences.

Los electrones en metales extraños disipan la energía tan rápido como se les permite según las leyes de la mecánica cuántica, y la resistividad eléctrica de un metal extraño, a diferencia de los metales ordinarios, es proporcional a la temperatura.

“El hecho de que los llamemos metales extraños es indicativo de cómo los entendemos”, dice en un comunicado el coautor del estudio Olivier Parcollet, científico investigador principal del Centro de Física Cuántica Computacional (CCQ) del Instituto Flatiron. “Los metales extraños comparten propiedades notables con los agujeros negros, abriendo nuevas y emocionantes direcciones para la física teórica”.

En el mundo de la mecánica cuántica, la resistencia eléctrica es un subproducto de los electrones que chocan contra las cosas. A medida que los electrones fluyen a través de un metal, rebotan en otros electrones o impurezas en el metal. Cuanto más tiempo haya entre estas colisiones, menor será la resistencia eléctrica del material.

Para metales típicos, la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura, siguiendo una ecuación compleja. Pero en casos inusuales, como cuando un superconductor de alta temperatura se calienta justo por encima del punto donde detiene la superconducción, la ecuación se vuelve mucho más sencilla. En un metal extraño, la conductividad eléctrica está vinculada directamente a la temperatura y a dos constantes fundamentales del universo: la constante de Planck y la constante de Boltzmann. En consecuencia, los metales extraños también se conocen como metales planckianos.

Los modelos de metales extraños han existido durante décadas, pero resolverlos con precisión resultó fuera de alcance con los métodos existentes. Los enredos cuánticos entre electrones significan que los físicos no pueden tratar los electrones individualmente, y la gran cantidad de partículas en un material hace que los cálculos sean aún más desalentadores.

Cha y sus colegas emplearon dos métodos diferentes para resolver el problema. Primero, utilizaron un método de inclusión cuántica basado en ideas desarrolladas por Georges a principios de los 90. Con este método, en lugar de realizar cálculos detallados en todo el sistema cuántico, los físicos realizan cálculos detallados en solo unos pocos átomos y tratan el resto del sistema de manera más simple.

Luego utilizaron un algoritmo cuántico de Monte Carlo (llamado así por el casino de Mónaco), que utiliza un muestreo aleatorio para calcular la respuesta a un problema. Los investigadores resolvieron el modelo de metales extraños hasta el cero absoluto (menos 273,15 grados Celsius), el límite inferior inalcanzable para las temperaturas en el universo.

El modelo teórico resultante revela la existencia de metales extraños como un nuevo estado de la materia que limita con dos fases de la materia previamente conocidas: los cristales giratorios aislantes Mott y los líquidos Fermi.

“Descubrimos que hay una región completa en el espacio de fases que exhibe un comportamiento planckiano que no pertenece a ninguna de las dos fases entre las que estamos en transición”, dice el coautor Eun-Ah Kim, profesor de Física en Cornell. “Este estado líquido de giro cuántico no está tan bloqueado, pero tampoco es completamente libre. Es un estado lento, espeso y fangoso. Es metálico pero de mala gana metálica, y está llevando el grado de caos al límite de la mecánica cuántica”.

El nuevo trabajo podría ayudar a los físicos a comprender mejor la física de los superconductores de mayor temperatura. Quizás sorprendentemente, el trabajo tiene vínculos con la astrofísica. Al igual que los metales extraños, los agujeros negros exhiben propiedades que dependen solo de la temperatura y las constantes de Planck y Boltzmann, como la cantidad de tiempo que un agujero negro ‘suena’ después de fusionarse con otro agujero negro. “El hecho de que encuentre esta misma escala en todos estos sistemas diferentes, desde metales planckianos hasta agujeros negros, es fascinante”, dice Parcollet.

Fuente: europapress.es