Lu Li, un físico que estudia materiales avanzados, sabe que la gente a menudo quiere escuchar cómo su investigación puede conducir a nuevas tecnologías o avances reales. Pero a veces, lo que descubre es tan inusual que su valor revela plenamente lo extraño que puede ser el universo.
Trabajando con un equipo internacional de científicos, Lee hizo uno de esos descubrimientos, descrito recientemente carta de revisión física.
“Me gustaría afirmar que existe una gran aplicación, pero mi trabajo aleja ese sueño”, dijo Lee, profesor de física en la Universidad de Michigan. “Pero lo que encontramos sigue siendo realmente extraño y emocionante”.
Oscilaciones cuánticas: cuando los electrones actúan como resortes
Con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU., la investigación se centra en un efecto sorprendente llamado oscilaciones cuánticas. En los metales, estas oscilaciones ocurren cuando los electrones se comportan como pequeños resortes, vibrando en respuesta al campo magnético. Al cambiar la fuerza del campo magnético, los científicos pueden cambiar la rapidez con la que se mueven estos “resortes de electrones”.
Sin embargo, en los últimos años, los investigadores han descubierto las mismas oscilaciones cuánticas en aisladores: materiales que no deberían conducir electricidad ni calor. Esta revelación ha dejado a los científicos debatiendo si el efecto se produce sólo en la superficie de estos elementos o en lo profundo de su interior (conocido como masa).
Busque respuestas dentro del material.
Si las oscilaciones provienen de la superficie, esto sería especialmente interesante para las tecnologías potenciales. Ya se están estudiando materiales llamados aislantes topológicos, que conducen la electricidad en su superficie sin dejar de ser aislantes en su interior, para nuevos tipos de dispositivos electrónicos, ópticos y cuánticos.
Para explorar el misterio, Li y sus colegas fueron al Laboratorio Nacional de Campo Magnético, hogar del imán más fuerte del mundo. Sus experimentos revelaron que las oscilaciones no eran sólo un efecto de superficie. En cambio, provienen de la mayor parte del material mismo.
“Me gustaría saber qué hacer con él, pero en este momento no tenemos idea”, admitió Lee. “Lo que tenemos ahora es evidencia experimental de un fenómeno extraordinario, lo hemos registrado y, con suerte, en algún momento descubriremos cómo usarlo”.
Una colaboración global y un resultado claro
En el estudio participaron más de una docena de científicos de seis instituciones de Estados Unidos y Japón, incluido el investigador asociado Kuan-Wen Chen y los estudiantes graduados de la Universidad de Michigan Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan y Kayla Jenkins.
“Durante años, los científicos han buscado la respuesta a una pregunta fundamental sobre el origen de estos portadores de aislantes externos: ¿proceden de la masa o de la superficie, son intrínsecos o extrínsecos?” Dijo Chen. “Estamos entusiasmados de proporcionar evidencia clara de que esto es masivo y subyacente”.
Una “nueva dualidad” en física
Lee describe este hallazgo como parte de lo que él llama el “nuevo dualismo”. La dualidad original o “antigua” de la física surgió hace más de un siglo cuando los científicos se dieron cuenta de que la luz y la materia podían actuar como ondas y partículas. Este descubrimiento transformó la física y condujo a tecnologías como las células solares y el microscopio electrónico.
La nueva dualidad, dice Lee, involucra materiales que pueden comportarse como conductores y aislantes. Su equipo desarrolló esta idea utilizando un compuesto llamado boruro de iterbio (YbB12) dentro de un campo magnético tan fuerte que alcanzó 35 Tesla, aproximadamente 35 veces más fuerte que el campo dentro de una máquina de resonancia magnética de un hospital.
“Efectivamente, estamos demostrando que esta imagen ingenua en la que imaginamos una buena superficie conductora que puede usarse en electrónica es completamente errónea”, explicó Lee. “Es un compuesto completo que se comporta como un metal aunque sea un aislante”.
Desentrañando el misterio de un “metal loco”.
Aunque este comportamiento “similar al de un metal” aparece sólo en condiciones magnéticas extremas, el hallazgo plantea nuevas preguntas sobre cómo se comportan los materiales a nivel cuántico.
“Es emocionante confirmar que las oscilaciones son masivas e intrínsecas”, dijo Zhu. “Todavía no sabemos qué tipo de partícula neutra es responsable de las observaciones. Esperamos que nuestros resultados inspiren más trabajos experimentales y teóricos”.
El proyecto recibió apoyo adicional del Instituto de Materia Adaptativa Compleja, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología.
