Un equipo de investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), el IFIMAC, IMDEA Nanociencia y la Universidad de Calabria ha estudiado un tipo de material conocido como aislante Mott, caracterizado porque los electrones en su interior no pueden moverse debido a fuertes interacciones.
Sorprendentemente, cuando este material se enfría a temperaturas inferiores a 11 Kelvin (-262,15 °C), los electrones comienzan a moverse libremente, debido a la aparición de un nuevo estado cuántico llamado “red Kondo». Estos resultados, publicados en Nature Communications, nos acercan a una nueva generación de tecnologías cuánticas que transformarán sectores clave, desde las energías renovables hasta la informática avanzada.
“Concretamente, este descubrimiento amplía nuestra comprensión de la física de sistemas que pueden permitir aplicaciones revolucionarias en el diseño de superconductores de alta temperatura, dispositivos de computación cuántica y sistemas electrónicos de bajo consumo”, subrayan los autores.
Nuevo enfoque para el diseño de materiales cuánticos
El estudio muestra cómo controlar el comportamiento de los electrones en sistemas bidimensionales mediante el apilamiento de materiales bidimensionales con propiedades diferentes. Este resultado muestra el camino para el diseño de materiales con propiedades electrónicas personalizadas, como la superconductividad.
Los materiales bidimensionales son conocidos por su sensibilidad a pequeños cambios en el entorno, lo que permite transformar sus propiedades de manera controlada. “Este trabajo demuestra cómo pequeñas modificaciones pueden cambiar drásticamente las propiedades de un material, desde un aislante hasta un conductor o incluso un superconductor”, destacan los autores.
Para ilustrar cómo interacciones aparentemente simples pueden generar estados cuánticos complejos, los científicos comparan los aislantes de Mott con una sala abarrotada de personas. En un espacio así, la densidad impide el movimiento libre, como sucede con los electrones en estos materiales.
El apantallamiento Kondo, por su parte, puede asimilarse a la presencia de un bailarín principiante (impureza magnética) en un grupo de bailarines experimentados (electrones del substrato). La presencia del principiante presenta un obstáculo para los movimientos más fluidos de los experimentados. Cuando hay muchos bailarines principiantes distribuidos entre los experimentados, su presencia modifica el comportamiento colectivo de los bailarines, creando una danza compleja, diferente de la inicialmente planificada.
En el caso del efecto Kondo, las interacciones entre los electrones y las impurezas magnéticas provocan que los electrones cambien su comportamiento, lo que resulta en un aumento de la resistencia a bajas temperaturas. Cuando las impurezas están ordenadas periódicamente los electrones que interactúan con las distintas impurezas se superpone coherentemente. Esto modifica las propiedades del material a nivel cuántico, generando un estado colectivo que altera su conductividad de manera similar a la transformación de la coreografía.
Los investigadores combinaron un aislante Mott bidimensional con un sustrato metálico, e investigaron su comportamiento a diferentes temperaturas. El equipo utilizó técnicas de última generación, como la microscopía y espectroscopia de efecto túnel (STM STS), para analizar las propiedades electrónicas del sistema a escala atómica. Además, realizaron simulaciones basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT) para interpretar los efectos cuánticos observados.
Estos métodos han permitido descubrir cómo los electrones, inicialmente inmovilizados en el aislante Mott, logran deslocalizarse y moverse libremente. Así, este estudio no solo amplía nuestro conocimiento de la física cuántica, sino que también subraya la importancia de los enfoques interdisciplinarios en la creación de materiales con propiedades innovadoras.
Referencia bibliográfica:
Ayani, C.G., Pisarra, M., Ibarburu, I.M. et al. Electron delocalization in a 2D Mott Ayani, C. G., Pisarra, M., Ibarburu, I. M., Rebanal, C., Garnica, M., Calleja, F., Martín, F., & Vázquez de Parga, A. L. (2024). Electron delocalization in a 2D Mott insulator. Nature Communications, 15, 10272. https://doi.org/10.1038/s41467-024-54747-4
