Descubren en el MIT electrones que se reorganizan como el hielo en un material cuántico

Un vaso de agua con hielo ilustra un fenómeno conocido: la coexistencia de dos fases. En ciertos materiales cuánticos, distintas fases también pueden coexistir, aunque su comportamiento es mucho más complejo. Recientemente, físicos del MIT descubrieron nuevos detalles sobre cómo dos formas distintas de organización electrónica pueden surgir dentro del mismo material cuántico.

Los hallazgos, publicados en Nature Physics, podrían mejorar la comprensión de los materiales que presentan superconductividad, magnetismo y otras fases electrónicas. Comprender cómo surgen e interactúan estas fases podría ayudar a los investigadores a tener un mayor control sobre las propiedades electrónicas y desarrollar dispositivos cuánticos más potentes.

"Se cree que la clave para reemplazar al silicio radica en materiales cuánticos que poseen múltiples fases coexistentes", comentó el coautor Alfred Zong, quien co-lideró el estudio como estudiante de posgrado en el MIT y ahora es profesor asistente en la Universidad de Stanford. "Nuestro experimento proporciona una forma muy clara de estudiar estas múltiples fases".

Un tablero de ajedrez atómico de electrones

El equipo, liderado por Nuh Gedik, profesor de física en el MIT, investigó el tritelururo de erbio, un material raro con un comportamiento electrónico inusual. En condiciones normales, los electrones se distribuyen de manera relativamente uniforme en el tritelururo de erbio. Sin embargo, al enfriar el material a temperaturas específicas, los electrones comienzan a organizarse en un patrón de ondas conocido como fase de "onda de densidad de carga" (CDW).

Al enfriar el material aún más, se produce un segundo patrón de ondas que corre perpendicular al primero. Juntas, estas dos fases electrónicas forman una estructura similar a un tablero de ajedrez a escala atómica.

Gedik y sus colegas lograron separar el comportamiento de estas dos fases y observar cómo se desarrollaba cada una. La primera fase apareció gradualmente en todo el material, similar a cómo el agua líquida se convierte en vapor. Esto coincide con la imagen convencional de cómo ocurren muchas transiciones de fase electrónicas.

La segunda fase se comportó de manera muy diferente. En lugar de aparecer de manera uniforme en todo el material, comenzó en regiones aisladas que se expandieron, asemejándose a la formación de cristales de hielo en el agua líquida. "El mecanismo responsable de la aparición de esta segunda fase ha sido objeto de debate durante mucho tiempo, y nuestro enfoque proporciona una nueva forma poderosa de descubrir la física oculta detrás de las transiciones de fase en materiales cuánticos", explicó Gedik.

Cómo se forman las ondas de densidad de carga

Una onda de densidad de carga se desarrolla cuando las cargas eléctricas, como los electrones, se organizan espontáneamente en un patrón de onda repetitivo. Las regiones correspondientes a los crests contienen más electrones, mientras que los valles tienen menos. En algunos materiales, este estado coordinado aparece solo a temperaturas extremadamente bajas.

Los físicos han estudiado las ondas de densidad de carga durante décadas. Más recientemente, se han encontrado en materiales que también soportan formas más complicadas de comportamiento colectivo de electrones, incluyendo magnetismo y superconductividad, donde los electrones se emparejan y se mueven a través de un material sin fricción.

El equipo de investigación deseaba estudiar un material en el que coexistieran dos fases de CDW al mismo tiempo. Comprender cómo aparecen y coexisten las dos ondas podría proporcionar pistas sobre las transiciones de fase más complicadas involucradas en la superconductividad y otros estados electrónicos inusuales.

"Una de las grandes preguntas en física es por qué algunos materiales albergan múltiples fases mientras que otros no. Y cuando existen múltiples fases, ¿cómo interactúan? ¿Se refuerzan entre sí, compiten o coexisten independientemente?", preguntó Gedik. "Este es un caso de estudio para entender materiales mucho más complicados".

Usando láseres para perturbar el orden cuántico

Los científicos ya sabían que el tritelururo de erbio puede soportar dos ondas de densidad de carga diferentes. Este material raro puede producirse en el laboratorio como láminas atómicamente delgadas, lo que permite a los investigadores explorar sus inusuales propiedades a escala cuántica.

Experimentos anteriores mostraron que la primera onda de densidad de carga aparece cuando el tritelururo de erbio se enfría a -8 grados Celsius. Esta onda "dominante" se extiende por el material en una dirección. Cuando la temperatura baja aún más a -113 grados Celsius, aparece una segunda onda de densidad de carga "subdominante" en ángulo recto con respecto a la primera. Juntas, las dos estructuras crean el patrón de tablero de ajedrez de fases electrónicas coexistentes.

Para el nuevo estudio, el equipo de Gedik deseaba determinar exactamente cómo se forma cada fase. Los investigadores obtuvieron pequeñas muestras atómicamente delgadas de tritelururo de erbio creadas por colaboradores en Stanford. En el laboratorio de Gedik, enfriaron las muestras a aproximadamente -230 grados Celsius, lo suficientemente frías para que ambas ondas de densidad de carga coexistieran simultáneamente en el patrón de tablero de ajedrez.

Luego, perturbaron o destruyeron ese patrón electrónico y observaron cómo regresaban las dos ondas. El experimento se basó en dos pulsos de láser cuidadosamente cronometrados.

"Así es como 'sacudimos' y luego 'escuchamos' el sistema", comentó Gedik. El primer pulso de láser actuó como la "sacudida", rompiendo el tablero de ajedrez electrónico. Al cambiar la intensidad del pulso, los investigadores pudieron controlar la fuerza con la que perturbaron las ondas de densidad de carga.

Un segundo pulso que contenía fotones de alta energía luego expulsó electrones del material. Los investigadores aplicaron este pulso en diferentes intervalos después del primero y midieron la energía y el momento de los electrones expulsados. Estas mediciones proporcionaron una serie de instantáneas que mostraron cómo las fases electrónicas se recuperaron con el tiempo.

"Vemos la destrucción de estas fases, y luego, si esperamos lo suficiente, regresan", explicó Gedik. "Y dependiendo de cómo se les golpee, las dos fases responden de manera diferente".

Dos formas muy diferentes de reconstruirse

La onda de densidad de carga dominante regresó de manera gradual y uniforme, independientemente de cuán fuertemente los investigadores habían perturbado inicialmente el material. Esta recuperación suave se considera una transición de fase "de segundo orden" clásica. Se asemeja a la forma gradual en que un imán pierde su magnetismo a medida que aumenta su temperatura.

La segunda onda de densidad de carga produjo una sorpresa mayor. En lugar de regresar de manera uniforme, la fase subdominante comenzó a formarse en áreas dispersas. Estas regiones luego se expandieron a través del material, similar al crecimiento de cristales de hielo en agua líquida. Este comportamiento corresponde a una transición "de primer orden" menos común y no era lo que los investigadores esperaban. Las observaciones permitieron al equipo identificar el mecanismo largamente debatido responsable de la aparición de la fase de CDW subdominante.

Los hallazgos podrían tener implicaciones más allá del tritelururo de erbio. Materiales cuánticos más complicados pueden contener varias fases electrónicas simultáneamente, y los científicos sospechan que la forma en que esas fases interactúan puede ser responsable de algunas de sus propiedades más inusuales. "En sistemas que son mucho más complejos, como los superconductores de alta temperatura, se observa que hay múltiples fases: magnetismo, superconductividad, ondas de densidad de carga, y todas existen juntas", explicó Gedik. "Una de las teorías es que la forma en que interactúan entre sí es clave para sus propiedades exóticas. Las lecciones que aprendemos aquí pueden aplicarse a materiales mucho más complejos".