A partir de la reinterpretación de varios experimentos que no “encajaban” con el modelo teórico predominante, un equipo de físicos demostró que existe un estado líquido de los electrones distinto al ya conocido. Fue a partir de experimentos con moléculas de hierro y oro. El trabajo puede tener implicancias en el futuro de la electrónica molecular.
Fecha de publicación: 15/10/2021
Al explicar por qué los metales conducen electricidad, el físico Enrico Fermi planteó que sus electrones se comportan como un gas cuántico. Fue su colega Lev Davidovich Landau quien demostró que bajo ciertas condiciones, al interaccionar entre ellos, los electrones pueden comportarse como un “líquido de electrones”, aumentando, por ejemplo, su masa. Ese estado descripto por Landau se llama “líquido de Fermi”, en reconocimiento al entendimiento de la física de los electrones desarrollado por el pionero de la física cuántica.
Ahora, un equipo de físicos de Argentina y Eslovenia planteó la existencia de un nuevo tipo de “líquido de electrones” en metales. Lo hizo al describir un comportamiento diferente de electrones en moléculas de un compuesto de hierro sobre oro, que puede pasar de ser buen conductor de electricidad a mal conductor al alterar el campo magnético. Este nuevo conocimiento podría ayudar en el desarrollo de interruptores de electrónica molecular.
El nuevo trabajo teórico, en el que participa un docente del Instituto Balseiro, se hizo a partir de la evaluación de estudios experimentales previos, publicados por otros científicos, a muy bajas temperaturas, cercanas al “cero absoluto”. El compuesto bajo estudio se llama “ftalocianina de hierro sobre oro” y se observó su comportamiento en temperaturas del orden de 1 grado Kelvin, esto es, a -272 grados Celsius. El problema era que las explicaciones previas de esos resultados experimentales eran contradictorias con lo ya conocido.
A partir de una nueva mirada teórica, en un artículo publicado en la prestigiosa revista Nature Communications el viernes 15 de octubre, los autores afirman que han hallado la primera realización experimental confirmada de ese nuevo tipo de “líquido de electrones”. Plantean que es distinto al descripto por Landau, y por eso lo llamaron “líquido de Fermi no Landau”.
Los metales y sus electrones
Landau postuló que en los metales, un sistema de electrones con interacciones fuertes, que se conoce como “líquido de Fermi”, es muy parecido en su comportamiento a uno sin interacciones, que se llama “gas de Fermi”. Un ejemplo del primero es el hierro a altas temperaturas, mientras un ejemplo del segundo es el sodio.
“El líquido de Fermi de Landau, donde hay electrones con interacciones fuertes, describe el comportamiento de metales ordinarios”, comentó el doctor en Física Armando Aligia, uno de los autores del paper publicado en Nature Communications. El físico es egresado y profesor del Instituto Balseiro, institución dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO).
Los metales han acompañado al ser humano en gran parte de su historia, y en la actualidad no podría haber dispositivos electrónicos sin los mismos. Su conductancia, esto es, la capacidad para transportar electricidad de forma eficiente, varía según sus propiedades físico-químicas. Y por eso desde la ciencia se los estudia, en detalle, en busca de propiedades que los hagan más eficientes.
Aligia, que es investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (CONICET-CNEA) en el Centro Atómico Bariloche, explicó al Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro, que con sus colegas postulan la existencia de un nuevo tipo de comportamiento en metales con electrones que interactúan.
En este caso, el metal actúa como si fuera, salvando las distancias, “Bruce Banner y Hulk” porque logra cambiar de forma inesperada su conductancia de un valor muy bajo a un valor muy alto. En otras palabras, el metal pasa de ser resistente o ser un líquido de Fermi no Landau, a conducir electricidad de forma muy eficiente o ser un líquido de Fermi Landau, y al revés. Esto ocurre al modificar determinados parámetros, como por ejemplo la distancia entre la molécula de hierro y el sustrato de oro.
El postulado teórico de la existencia de un “líquido de Fermi no Landau” había sido planteado en 2019 por cuatro investigadores: Luis Manuel y Germán Blesio, del Instituto de Física de Rosario; y Armando Aligia y Pablo Roura Bas del Centro Atómico Bariloche. Pero faltaba, hasta ahora, un correlato experimental de las predicciones teóricas. El nuevo artículo fue realizado por Manuel, Blesio, Aligia, de CONICET de Argentina, y por Rok Zitko, del Instituto Josef Stefan y de la Facultad de Matemáticas y Física de la Universidad de Ljubljana, de Eslovenia.
Diferencias: de un pájaro a un tigre
Ahora bien, ¿qué otras características tiene el “líquido de Fermi”, también llamado “líquido de Fermi Landau” y en qué se diferencia del “no Landau”? “En el líquido de Fermi Landau podemos decir que si uno pudiera ‘prender’ artificialmente las interacciones, o sea los choques entre electrones, de a poquito, el sistema va cambiando pero siempre se parece al original”, dijo Aligia. Y compara: “Es como tener un gato que se agranda y se transforma en tigre pero siempre tiene el mismo aspecto”.
El profesor del Instituto Balseiro detalló que en el régimen de líquido de Fermi Landau, lo que se observa mediante imágenes de un microscopio electrónico de efecto túnel (“STM”, por sus siglas en inglés), es “un pico en la conductancia eléctrica a bajo voltaje, esto es, derivada de la corriente respecto del voltaje”. Y que ese pico se mantiene cambiando los parámetros del sistema.
“En cambio, en el líquido de Fermi no Landau, el gato en algún punto salta a un pájaro”, ilustró Aligia. De ser un buen conductor y tener un pico de conductancia eléctrica, pasa a un mal conductor y un valle en la conductancia. Se trata de algo que se denomina “transición de fase cuántica topológica” y que se explica por las propiedades cuánticas de este tipo de compuesto estudiado (ver recuadro “Física cuántica y el modelo Kondo”recuadro “Física cuántica y el modelo Kondo”).
El profesor remarcó que es como si el sistema pasara en algún punto crítico de buen conductor, con alta conductancia, a casi aislante, con baja conductancia. “Esta transición es abrupta, porque salta un número topológico de 0 a 1 al modificar algún parámetro, y esto podría usarse en transistores moleculares. Cambiando un parámetro el sistema deja pasar o no la corriente eléctrica”, detalló.
Otras miradas
El físico Aníbal Iucci, investigador del CONICET y profesor en la Universidad Nacional de La Plata, que no participó en esta investigación, comentó que “las ftalocianinas son moléculas grandes con un átomo metálico, usualmente magnético, en el centro, tal como el hierro o el manganeso, y que poseen múltiples aplicaciones, fundamentalmente como pigmentos pero también en la construcción de paneles LCD y en celdas solares”.
“Si bien existen numerosos experimentos realizados sobre compuestos de este tipo, ninguna teoría o explicación da cuenta de manera satisfactoria de todos ellos y, en especial de la forma en que la corriente eléctrica atraviesa estas moléculas”, dijo Iucci. Y agregó que este nuevo trabajo logra explicar en forma consistente y unificada los experimentos en estas moléculas “apelando al concepto de transición de fase cuántica topológica, en la que las propiedades de un sistema cambian en forma abrupta sin cambiar sus simetrías, una idea sobre la que existe actualmente mucho interés por sus potenciales aplicaciones en computadoras cuánticas”.
Por su parte, el físico Adrián Feiguin, profesor del Departamento de Física de la NortheasternUniversity, de los Estados Unidos, y que tampoco participó en la investigación, comentó que el trabajo apunta a describir resultados experimentales recientes en el contexto de una teoría muy novedosa. “Los experimentos miden un comportamiento de la conductancia muy inusual, en el que una supresión de la conductancia aparece donde se esperaría un pico, y el pico emerge al aplicar un campo magnético. Varias teorías para explicar este fenómeno han sido propuestas, pero todas tienen puntos contenciosos o asumen hipótesis que no son consistentes con las condiciones del experimento o la estructura de la muestra”, dijo.
Feiguin señaló que el artículo recién publicado ofrece “una nueva perspectiva en el que toda la fenomenología de los experimentos puede ser claramente explicada con una teoría relativamente sencilla y sumamente elegante”. Y agregó que los resultados representan la primera demostración experimental de esta teoría, expandiendo el conocimiento de estos fenómenos cuánticos en direcciones poco sospechadas. “Al mismo tiempo ofrecen un método experimental para poder manipular la conductancia del sistema al nivel de una sola molécula, lo cual se puede trasladar en interesantes aplicaciones tecnológicas”, dijo Feiguin (ver columna “Una expansión de nuestro conocimiento…”).
Ante la consulta de qué sensación tiene con respecto al nuevo aporte, Aligia contó que tuvieron que hacer nuevos cálculos y extender la teoría a situaciones con campo magnético aplicado (ver recuadro columna “Espín, campo magnético y matemáticas”recuadro columna “Espín, campo magnético y matemáticas”). “No sucede con mucha frecuencia pero cada tanto aparecen experimentos que confirman predicciones teóricas. Naturalmente estamos muy contentos”, dijo.
Asimismo, el físico destacó: “Agradezco a la educación pública argentina incluyendo al Instituto Balseiro, a la que le debo mi formación, y quisiera reconocer a mi director de doctorado, Blas Alascio, desaparecido el año pasado, quien me introdujo en modelos similares a los usados en el trabajo”.
La postulación teórica de que existe una demostración experimental de la existencia del “líquido de Fermi no Landau” no se había realizado hasta ahora en ningún otro lugar en el mundo. Ahora habrá que esperar respuestas de la comunidad científica, y nuevos experimentos.
Por Laura García Oviedo / Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro
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PARA LEER MÁS:
RECUADRO 1
Física cuántica y el modelo Kondo
En el paper publicado en Nature Communications, los autores mencionan el modelo de Kondo. ¿En qué consiste? “El modelo de Kondo describe básicamente el sistema. El átomo de hierro de la ftalocianina tiene un espín de tamaño 1 formado por dos electrones; cada uno con espín ½, y que están ‘apantallados’ por electrones del oro formando un singlete, o sea un estado que no tiene espín”, describió Aligia.
Ahora bien, ¿qué es un espín? En pocas palabras, se trata de una propiedad física de partículas elementales, un momento magnético intrínseco, que tiene que ver con la “rotación cuántica”, que es distinta a la rotación del mundo macroscópico. La ftalocianina tiene dos electrones que forman el espín 1. “Y tiene un rasgo que llamamos ‘anisotropía D de plano fácil’, que compite con el efecto Kondo y eso origina la transición topológica entre el régimen Landau y no Landau”, explicó Aligia.
Por otro lado, el efecto Kondo es aquel que describe cómo varía la resistencia eléctrica de conductores como metales: a bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto, que es 273 grados centígrados bajo cero, algunos materiales aumentan su capacidad de transportar electricidad e incluso pueden estabilizarse. En otras palabras, el sistema de metales estudiado, la ftalocianina de hierro sobre oro, puede pasar de forma abrupta de buen conductor a mal conductor, jugando con el efecto Kondo y ese fenómeno de anisotropía D de plano fácil.
RECUADRO 2
Espín, campo magnético y matemáticas*
Por Armando Aligia*
“El espín es un momento magnético que puede apuntar en cualquier dirección del espacio. Si se aplica un campo magnético, éste privilegia una dirección en el espacio y el espín apunta en esa dirección.
La anisotropía D también privilegia una dirección en el espacio, pero hay de dos tipos: eje fácil si el espín tiende a apuntar en esa dirección, y plano fácil si favorece que el espín apunte en una dirección perpendicular a la dirección privilegiada.
En términos matemáticos, si la dirección privilegiada es z, la anisotropía de escribe como D(Sz)2. Si D es positivo la energía es mínima cuando Sz =0, lo que quiere decir que la componente z del espín 1 tiende a anularse, lo que significa que el espín está en el plano xy.
En cambio si D es negativo, la energía es mínima cuando Sz =1o Sz =-1, lo que significa que el espín apunta en la dirección z. Naturalmente este término compite con otros, en particular el efecto Kondo que quiere ‘reducir” la magnitud del espín de 1 a cero. Si el espín es cero la anisotropía no puede actuar naturalmente.”
*Docente del Instituto Balseiro e investigador del CONICET en el grupo Teoría de Sólidos del Centro Atómico Bariloche
COLUMNA
Una expansión de nuestro conocimiento, en direcciones poco sospechadas
Por Adrián E. Feiguin*
“El problema de impurezas magnéticas en metales (conocido como el “problema de Kondo") tiene una historia fascinante de muchas décadas marcadas por el desarrollo de numerosos avances teóricos y computacionales, como el método del grupo derenormalización numérico usado en este trabajo. Las impurezas pueden ser imaginadas como pequeños momentos magnéticos que son apantallados por los electrones de conducción en el metal.
Este apantallamiento da a lugar a un comportamiento poco convencional de la resistencia, que sube, en lugar de bajar, cuando la temperatura desciende, como se esperaría de un metal. A pesar de que el fenómeno es bien entendido en ciertos casos paradigmáticos, nuevos avances tecnológicos (espectroscopia de efecto túnel) han hecho posible directamente medir el comportamiento interno de las impurezas en presencia de los electrones del metal.
Es más, estas técnicas hacen posible manipular el acoplamiento entre las impurezas y el substrato sobre el que se encuentran depositadas. Por ejemplo, en lo experimentos descritos en este trabajo, una molécula de ftalocianina es depositada sobre un substrato metálico de oro. Estas moléculas están formadas por un átomo central de hierro rodeado de nitrógeno y anillos aromáticos de carbono. Los electrones del átomo de hierro se encuentran fuertemente confinados y se comportan efectivamente como un momento magnético. En realidad, este momento magnético está formado por dos electrones en dos orbitales diferentes del hierro. La forma en que se acoplan al metal da lugar a lo que usualmente se refiere como efecto Kondo de dos canales.
Este trabajo apunta a describir resultados experimentales recientes en el contexto de una teoría muy novedosa. Los experimentos miden un comportamiento de la conductancia muy inusual, en el que una supresión de la conductancia aparece donde se esperaría un pico, y el pico emerge al aplicar un campo magnético. Varias teorías para explicar este fenómeno han sido propuestas, pero todas tienen puntos contenciosos o asumen hipótesis que no son consistentes con las condiciones del experimento o la estructura de la muestra.
El trabajo de Zitko y colaboradores ofrece una nueva perspectiva en el que toda la fenomenología de los experimentos puede ser claramente explicada con una teoría relativamente sencilla y sumamente elegante. Esta teoría se basa en la reciente observación teórica de Blesio, Manuel, Roura-Bas y Aligia de que los tratamientos de este problema omitieron ciertos términos topológicos que dan lugar a un concepto novedoso, el de “liquido de Fermi no-Landau”.
De acuerdo a esta teoría, el problema puede considerarse como un líquido de Fermi, cualitativamente similar a electrones libres no interactuantes. Sin embargo, no existiría manera continua de conectar el estado del sistema a uno de electrones libres. En este manuscrito, los autores presentan un tratamiento fenomenológico del problema agregando anisotropía en los acoplamientos para describir los experimentos con más fidelidad. Ayudados por métodos numéricos, demuestran cómo esta teoría puede describir todos los resultados experimentales con un tratamiento elegante y autocontenido, con una hipótesis sencilla, y sin tener que recurrir a suposiciones difíciles de justificar.
Los resultados representan la primera demostración experimental de esta teoría, expandiendo nuestro conocimiento de estos fenómenos cuánticos en direcciones poco sospechadas. Al mismo tiempo ofrecen un método experimental para poder manipular la conductancia del sistema al nivel de una sola molécula, lo cual se puede trasladar en interesantes aplicaciones tecnológicas.”
*Profesor Asociado del Departamento de Física de la Northeastern University, Boston, Estados Unidos.
*Importante para medios de comunicación:Pueden reproducir esta nota en forma total o parcial mencionando la fuente y la firma.
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Por Laura García Oviedo
Área de Comunicación Institucional y Prensa
Crédito foto: Laura García Oviedo /Prensa IB
Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 15/10/2021
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