Investigadores predicen el efecto Kondo en materiales reales con gran precisión

Un grupo de científicos del Instituto Tecnológico de California y de la Universidad de Yale logró desarrollar un método innovador para calcular con precisión el efecto Kondo, un fenómeno cuántico que se manifiesta cuando átomos magnéticos se insertan en metales. Este avance es significativo ya que hasta el momento, la investigación se había basado en modelos simplificados que solo capturan el fenómeno de manera aproximada.

La nueva técnica se basa en las verdaderas estructuras atómicas y electrónicas de los materiales, lo que permite a los investigadores predecir su comportamiento con una precisión mucho mayor. Este desarrollo podría abrir la puerta a simulaciones por computadora más realistas de materiales cuánticos más complejos, como los superconductores a alta temperatura, donde el comportamiento de un electrón se ve fuertemente influenciado por la actividad de los electrones vecinos, complicando su descripción mediante aproximaciones convencionales.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Science por los autores principales Linqing Peng y Tianyu Zhu. Ambos comenzaron a trabajar en este proyecto en el laboratorio de Garnet Chan, profesor de química y director del Centro Marcus para la Química Teórica en el Caltech.

El profesor Chan expresó: "Ahora es posible predecir las propiedades de algunos materiales complicados únicamente a través de cálculos, sin necesidad de recurrir a experimentos". Agregó que los materiales estudiados representan un primer paso hacia fenómenos más complejos, como los superconductores a alta temperatura y los imanes cuánticos.

El efecto Kondo se presenta en uno de los ejemplos más simples de un sistema fuertemente correlacionado. Ocurre cuando un átomo magnético, como el hierro o el manganeso, se coloca como impureza dentro de un metal como el cobre. Al enfriar el material por debajo de una temperatura específica, conocida como temperatura Kondo, su comportamiento eléctrico cambia de manera inusual.

En condiciones normales, enfriar un metal provoca que su resistencia eléctrica disminuya de forma continua, facilitando el flujo de corriente. Sin embargo, en un metal con impurezas magnéticas, la resistencia deja de caer al alcanzar la temperatura Kondo, llegando a un mínimo y luego aumentando a medida que la temperatura sigue bajando. Este fenómeno se debe a la interacción entre los electrones en la impureza y los electrones que fluyen a través del metal.

Los investigadores destacaron que, hasta ahora, no habían podido calcular de manera confiable cómo la resistencia de un material real disminuye y luego aumenta, ni determinar la temperatura precisa en la que ocurre ese cambio para una impureza específica. Los enfoques tradicionales simplifican la estructura electrónica de un material, reduciéndola a un pequeño conjunto de orbitales, y luego aplican un modelo matemático aproximado.

La estrategia adoptada por Chan y su equipo consistió en adaptar herramientas computacionales altamente precisas, originalmente desarrolladas en química cuántica para describir moléculas, y aplicarlas a materiales cuánticos. Esto permitió representar las impurezas magnéticas casi como si fueran moléculas, manteniendo la complejidad total de sus interacciones electrónicas.

Los investigadores probaron su método en siete diferentes átomos de metales de transición incrustados en cobre. Para la mayoría de los elementos examinados, los cálculos fueron hasta dos órdenes de magnitud más precisos que las predicciones obtenidas a partir de técnicas convencionales basadas en modelos.

La investigadora Peng comentó: "Estamos en una era emocionante en la que descripciones cuánticas predictivas de la complejidad química completa de materiales reales están al alcance". Resaltó que se vuelve realista predecir el comportamiento específico de materiales de electrones correlacionados desde primeros principios, incluso en algunas de las clases más desafiantes de materiales cuánticos.

Este trabajo recibió apoyo del Air Force Office of Scientific Research a través del programa Multidisciplinary University Research Initiative, del Departamento de Energía de EE. UU. y su Centro para Materiales Cuánticos Magnéticos Moleculares, y de la National Science Foundation de EE. UU..