Los físicos del MIT han estado hurgando en un material cuántico con láseres, y lo que encontraron es que los electrones pueden reorganizarse de dos maneras muy diferentes: una suave como el agua que se evapora, la otra grumosa como el hielo que se congela. El estudio, publicado en Nature Physics, arroja luz sobre cómo múltiples fases electrónicas pueden coexistir en el mismo material, lo que algún día podría ayudarnos a construir mejores dispositivos cuánticos y, ya sabes, quizás reemplazar el silicio.

"La gente cree que la piedra angular para reemplazar el silicio reside en materiales cuánticos que tienen múltiples fases coexistentes", dice el coautor Alfred Zong PhD '20, ahora profesor asistente en la Universidad de Stanford. "Nuestro experimento proporciona una forma muy elegante de estudiar estas múltiples fases".

Los investigadores, liderados por Nuh Gedik, profesor Donner de Física en el MIT, investigaron el telururo de erbio, un material de tierras raras con una actitud electrónica seria. En condiciones ordinarias, los electrones están distribuidos uniformemente, pero al enfriarlo comienzan a formar una disposición ondulada llamada onda de densidad de carga (CDW). Enfríalo aún más, y aparece una segunda onda perpendicular a la primera, creando un tablero de ajedrez a escala atómica que pondría celoso a cualquier gran maestro del ajedrez.

El equipo logró separar las dos fases y observar cómo se forma cada una. La primera fase, la "dominante", aparece gradualmente a lo largo del material, como el agua que se convierte en vapor. La segunda fase, "subdominante", sin embargo, comienza en bolsas aisladas y se expande hacia afuera, igual que los cristales de hielo que se forman en tu bebida. Esta diferencia es clave: la primera es una transición de segundo orden de libro de texto, mientras que la segunda es una transición de primer orden, y eso es una sorpresa.

"El mecanismo responsable de la aparición de esta segunda fase ha sido debatido 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", dice Gedik.

El experimento fue una rutina clásica de "agitar y escuchar". El equipo enfrió muestras atómicamente delgadas de telururo de erbio a unos -230 grados Celsius, y luego las disparó con dos pulsos de láser. El primer pulso "sacudió" el sistema, rompiendo el tablero electrónico, y el segundo pulso tomó instantáneas de cómo los electrones se recuperaban con el tiempo. La onda dominante rebotó suavemente sin importar cuán fuerte la golpearan, pero la onda subdominante creció a partir de semillas dispersas, como cristales de hielo que se forman en agua superenfriada.

Este comportamiento no era esperado, y finalmente identifica el mecanismo largamente debatido detrás de la segunda fase CDW. Y aunque el telururo de erbio es genial por derecho propio, el verdadero premio es comprender materiales más complejos como los superconductores de alta temperatura, donde múltiples fases (magnetismo, superconductividad, CDWs) coexisten e interactúan.

"En sistemas mucho más complejos, como los superconductores de alta temperatura, ves que hay múltiples fases: magnetismo, superconductividad, ondas de densidad de carga, y todas coexisten", dice 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 se pueden aplicar a materiales mucho más complejos".

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la subvención de la Iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore. Materiales proporcionados por el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Escrito originalmente por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede haber sido editado por estilo y extensión.