Un punto triple de estado sólido

Dibujo20130821 Phase diagram of VO2 - triple point - nature com

En el punto triple del agua (a 0,01 °C de temperatura y 612 pascales de presión) coexisten en equilibro sus tres estados sólido, líquido y gaseoso. El dióxido de vanadio es un sólido que presenta un punto triple a 65 °C en el que coexisten tres fases sólidas, dos aislantes (con estructuras cristalinas monoclínicas, M1 y M2) y una conductora (con estructura tetragonal tipo rutilo, R). Gracias a un dispositivo micromecánico se ha medido con alta precisión el diagrama de fase temperatura versus esfuerzo en tracción de una nanobarra de dióxido de vanadio (VO2). Películas delgadas de óxido de vanadio se utilizan mucho en la industria electrónica y en óptica física como “material inteligente” (porque sus propiedades varían mucho con la temperatura y el voltaje aplicado). La más interesante de las tres fases es M2 ya que no hay ninguna teoría microscópica que explique su estabilidad; el nuevo diagrama de fase guiará los cálculos de la estructura electrónica mediante ordenador, lo que quizás ayude a aclarar este asunto. Existen puntos triples sólidos en la manganita y en niquelatos de tierras raras, aunque aplicar el nuevo método de medida no será fácil pues se requieren nanobarras de muy alta calidad. Nos lo cuenta Douglas Natelson, “Condensed-matter physics: A solid triple point,” Nature 500: 408–409, 22 Aug 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jae Hyung Park et al., “Measurement of a solid-state triple point at the metal–insulator transition in VO2,” Nature 500: 431–434, 22 Aug 2013.

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Serias dudas sobre si el memristor ha sido realmente fabricado

Leon O. Chua predijo en 1971 que existía un cuarto elemento de circuitos eléctricos pasivos que completa al trío de los que tienen dos terminales, la resistencia, el condensador y la inductancia, al que llamó memristor  (memory resistor). En 2008 científicos de Hewlett-Packard (HP Labs) liderados por R. Stanley Williams publicaron en Nature la fabricación mediante nanotecnología del primer memristor. Muchos pusimos a Chua (y también a Williams) en la antesala del Premio Nobel de Física. Hoy en día, mucha gente duda del artículo publicado en Nature. Un memristor se basa en el flujo magnético y no se puede usar como dispositivo de memoria, porque es un elemento pasivo; sin embargo, el nanodispositivo de los HP Labs no se basa en el flujo magnético y actúa como un almacén de memoria, como un elemento activo. Estas dudas son poco importantes para los HP Labs y para las tecnologías presentes y futuras basadas en su dispositivo, como las MRAM, pero suponen un duro golpe en la carrera hacia el Nobel de Física si el memristor predicho aún no ha sido fabricado. Nos lo cuenta mucha gente, por ejemplo, Sascha Vongehr, “The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?,” arXiv:1205.6129, 1 Mar 2012, y Paul Meuffels, Rohit Soni, “Fundamental Issues and Problems in the Realization of Memristors,” arXiv:1207.7319, Subm. 31 Jul 2012.

Las críticas hacia el artículo publicado en 2008 por los HP Labs provienen de varios frentes. Por un lado, el diseño de su memristor es similar a otros dispositivos conocidos desde 1995, pero cuyos autores respectivos en ningún momento proclamaron que se tratara de memristores; si los dispositivos anteriores no eran memristores, por qué iba a serlo el nuevo. Por otro lado, se conocen circuitos basados en resistencias, condensadores e inductancias que describen muy bien el funcionamiento del dispositivo de los HP Labs, algo que debe ser imposible con un memristor; si es posible es porque no es un memristor. Más aún, desde 2008 se ha ido imponiendo una nueva definición del memristor que es compatible con el dispositivo de los HP Labs, pero que viola ciertas propiedades de la propuesta original de memristor de Chua. Finalmente, el modelo teórico utilizado por Williams para validar el funcionamiento correcto de su dispositivo no corresponde con la definición original de memristor de Chua. Pero los críticos tienen un gran problema, se ha apuntado tanta gente al carro de investigar en “memristores,” que lograr que una revista prestigiosa acepte un artículo con críticas razonadas al trabajo publicado en Nature raya lo imposible. Los críticos se han convertido en una minoría disidente.

Más info sobre memristores en este blog:

Un modelo biomimético de la retina humana basado en memristores nanotecnológicos

El futuro de la ley de Moore, el memristor y la Fórmula 1

Publicado en Nature: Memorias flash “inteligentes” que utilizan memristores nanotecnológicos

Memorias flash rápidas basadas en un memristor nanotecnológico

El padre de la física de estado sólido y de la materia condensada: Albert Einstein

Einstein fue el padre de la teoría de la relatividad y uno de los dos abuelos de la mecánica cuántica (junto a Planck). El artículo de 1907 de Einstein sobre la teoría del calor específico de los sólidos introdujo por primera vez la idea de que las vibraciones de la red de átomos de un sólido son responsables de sus propiedades termodinámicas, en particular de su calor específico. Dicho artículo fue el primero de una serie de artículos de Einstein que crearon la física del estado sólido y con ella la física de la materia condensada. La esencia del genio en estado en puro. Nos lo contó Manuel Cardona (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Alemania), “Albert Einstein as the Father of Solid State Physics,” pp. 85-114, Cien Años de Herencia Einsteniana, Universitat de Valencia, 2005. El artículo de Cardona, Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica en el año 1988,  forma parte de un ciclo de conferencias de hace un lustro cuyas actas merecen una relectura de vez en cuando. 

Tras su año milagroso (annus mirabilis), 1905, Einstein se dedicó a estudiar la teoría del calor en los sólidos. En concreto, las propiedades dinámicas de los fonones (vibraciones de la red de átomos) en un sólido aislante. La teoría de los electrones en un sólido tuvo que esperar al desarrollo de la estadística de Fermi-Dirac en 1926. Einstein consideró el caso más sencillo, que todos los átomos vibran a la misma frecuencia, sea la frecuencia media de vibración, llamada frecuencia de Einstein en su honor. Estas frecuencias se comportan como bosones, es decir, como fotones, por ello se llaman fonones, por lo que se estudian gracias a la teoría (cuántica) de la radiación de Planck. En 1911, Nernst (Premio nobel de Química en 1920) y su estudiante de doctorado Lindermann extendieron la teoría de Einstein a dos frecuencias de vibración (hoy corresponden a las frecuencias medias de vibración de los fonones llamadas acústicas y ópticas). También dicho año P. Debye estudió la teoría de las vibraciones elásticas de un sólido que incluía tanto un espectro discreto de frecuencias como uno continuo (hasta frecuencia cero). La teoría de Debye es más exacta que la de Einstein (y la de Nernst-Lindermann) para algunos materiales, como el diamante, como muestra la figura que acompaña esta entrada.

La importancia del artículo de Einstein de 1907, desde el punto de vista teórico, como catalizador y origen de toda la física del estado sólido es similar a la del descubrimiento por parte de H. Kamerlingh Onnes de la superconductividad en 1911. De hecho, Einstein escribió un modelo teórico de la superconductividad en 1922, pero sus ideas cayeron en saco roto pues no se conocía la teoría de Fermi-Dirac para un gas de electrones; aún así, su idea de que un estado coherente (hoy diríamos un estado de Bose-Einstein) era clave se confirmó muchas décadas más tarde gracias a la teoría BCS. Ya sabrás que las ideas del indio N. Bose sobre un estado coherente en un gas de fotones (o bosones) son de 1924.

Publicado en Nature: No existen estados ligados con más de tres excitones en arseniuro de galio

La ausencia de pico en la diagonal demuestra que no existe el tetraexcitón (cuadexciton). (C) Nature.

Un excitón es una especie de “átomo” formado por un electrón y un hueco aparejados por la fuerza eléctrica de Coulomb en un semiconductor; se ligan igual que el electrón y el protón en un átomo de hidrógeno. Dos pares electrón-hueco, dos excitones, se pueden aparejar en un biexcitón (equivalente a la molécula de hidrógeno, H2) y tres en un triexcitón. Turner y Nelson (MIT, EE.UU.) publican en Nature un artículo que demuestra que en arseniuro de galio no existen estados ligados con más de tres excitones. Para ello han utilizado una nueva técnica de espectroscopia óptica no lineal coherente que usa un láser de femtosegundos (milbillonésimas de segundo). El trabajo puede tener aplicaciones en el diseño de nuevas células solares fotovoltáicas. Nos lo cuenta Gregory D. Scholes, “Condensed-matter physics: The dance of electrons and holes,” Nature 466: 1047–1048, 26 August 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Daniel B. Turner, Keith A. Nelson, “Coherent measurements of high-order electronic correlations in quantum wells,” Nature 466: 1089–1092, 26 August 2010.

Os recuerdo algunas ideas sobre la conducción de la corriente eléctrica en un sólido cristalino. Los átomos de un sólido cristalino están ordenados en una estructura periódica tridimensional. Los electrones se encuentran deslocalizados por todo el sólido ocupando estados discretos de energía. El principio de exclusión de Pauli prohibe que dos electrones ocupen el mismo estado energético. Como todos los electrones en el sólido tienen números cuánticos parecidos, cada nivel de energía de un electrón en un solo átomo se divide, cuando hay N electrones en el sólido, en N niveles de energía muy próximos entre sí. Se forma una banda de energía, casi continua. Al siguiente nivel de energía le pasa lo mismo y se forma una segunda banda de energía, y así sucesivamente. La banda de menor energía completamente rellena de electrones se denomina banda de valencia. La siguiente banda, que está prácticamente vacía, se llama banda de conducción, por que los electrones responsables de la conducción eléctrica en el sólido son los que ocupan dicha banda. En los aislantes y semiconductores existe una región de energía prohibida (banda prohibida o bandgap) entre las bandas de valencia y conducción. Si la banda prohibida es muy grande, no hay electrones que puedan saltar de la banda de valencia a la de conducción y el sólido es un aislante. Si la banda prohibida es pequeña, habrá electrones que puedan saltar y el sólido es un semiconductor. Si no existe la banda prohibida, porque las bandas de valencia y conducción tienen una intersectan entre sí, el sólido es un conductor.

El arseniuro de galio (GaAs) es un semiconductor. Cuando absorbe un fotón, un electrón salta de la banda de valencia (llena de electrones) a la banda de conducción (vacía), dejando tras de sí un “hueco” (de carga opuesta al electrón) en la banda de valencia. Para la mecánica cuántica el hueco y el electrón se comportan como dos partículas en pie de igualdad, aunque de cargas opuestas. El hueco y el electrón se pueden mover de forma independiente por el material a temperatura ambiente. Un electrón en un sólido se mueve como si tuviera una masa “efectiva” diferente de su masa en reposo en el vacío y que depende del sólido considerado. El hueco también se mueve con una masa “efectiva” que es diferente a la del electrón. A baja temperatura (por debajo de 10 Kelvin en el GaAs), el electrón y el hueco pueden atraerse mutuamente por la fuerza de Coulomb y formar un estado estable, el excitón, muy similar a un átomo. Como tanto el electrón como el hueco son fermiones (partículas de espín semientero), el excitón tiene 2 estados posibles (L y H) con niveles de energía muy próximos. Dos excitones pueden ligarse entre sí para formar un biexcitón, una especie de molécula formada por dos electrones y dos huecos, que puede tener tres estados posibles (HH, HL y LL) con niveles de energía próximos. Tres excitones pueden formar un triexcitón con cuatro estados posibles de energía (HHH, HHL, HLL y LLL). En teoría se podrían formar estados ligados con más de tres excitones (multiexcitones).

El artículo de Turner y Nelson ha demostrado que en el GaAs no existen estados con cuatro excitones. La figura clave es la que abre esta entrada en la que se observa un línea (diagonal) a trozos. En dicha línea tendrían que observarse un pico correspondiente al estado HHHH del tetraexcitón (cuadexciton en inglés). En otras figuras parecidas se deberían observar picos asociados a sus otros posibles estados HHHL, HHLL, HLLL y LLLL. Como no se observa ningún pico, los autores concluyen que no existen los estados tetraexcitón en el GaAs y de ahí que tampoco existen estados multiexcitones con más de tres excitones. ¿Cómo se tendría que ver en la figura de la entrada el pico correspondiente a un tetraexcitón? Abajo tenéis lo que se ve para el estado HHH del triexcitón. El artículo técnico presenta otras figuras que analizan el comportamiento de los triexcitones en el GaAs, ya que si bien los estados de excitón y biexcitón habían sido muy estudiados en GaAs, este es uno de los primeros artículos que estudia los estados de triexcitón. 

Publicado en Nature: Skyrmiones (vórtices nanomagnéticos) observados por primera vez de forma directa gracias a los electrones que los atraviesan

Yu et al. publican hoy en Nature las primeras imágenes reales de electrones atravesando un campo de skyrmiones en un material magnético. Los electrones se torsionan al atravesar cada skyrmión permitiendo visualizar el campo de skyrmiones por primera vez. Los skyrmiones son vórtices, huracanes cuánticos, en los que el campo magnético gira siempre en el mismo sentido (como el viento en un huracán) alrededor de un punto central donde el campo se anula (el ojo del huracán) y mantienen su forma con gran robustez (igual que los huracanes que pueden recorrer miles de kilómetros sin cambiar de forma y velocidad). Los skyrmiones son soluciones topológicas estables que aparece en ciertas teorías cuánticas de campos y en física del estado sólido. Fueron predichos por el físico teórico Tony Skyrme en los 1960 en un intento de obtener una teoría para la fuerza nuclear fuerte que une los protones y neutrones en los núcleos de los átomos. Se sabía de forma indirecta en ciertos materiales magnéticos se forman skyrmiones nanomagnéticos gracias a las interacciones de Dzyaloshinsky–Moriya, pero el nuevo trabajo ha logrado visualizarlos por primera vez de forma directa. Estos pequeños vórtices nanomagnéticos acabarán teniendo gran número de aplicaciones prácticas en los próximos años. Un gran avance que nos cuentan Christian Pfleiderer y Achim Rosch, “Condensed-matter physics: Single skyrmions spotted,” Nature 465: 880–881, 17 June 2010, haciéndose eco del artículo técnico de X. Z. Yu,Y. Onose,N. Kanazawa,J. H. Park,J. H. Han,Y. Matsui,N. Nagaosa, Y. Tokura, “Real-space observation of a two-dimensional skyrmion crystal,” Nature 465: 901–904, 17 June 2010.

Publicado en Nature: Avances hacia el almacenamiento ultrarrápido de información en soporte magnético

El almacenamiento ultrarrápido de información en soporte magnético requiere el uso de pulsos ópticos ultracortos. El efecto de dichos pulsos sobre los electrones en movimiento responsables del magnetismo es poco conocido. Se publica en Nature un artículo que estudia dicho efecto, que destaco aquí porque entre cuyos autores se encuentra el joven español Víctor López Flores, que desarrolló su tesis doctoral en el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, actualmente postdoc en el Instituto de Física y Química de Materiales de Estrasburgo, Francia. El magnetismo es producido por los electrones en movimiento en un sólido. El momento magnético tiene dos componentes, el momento orbital y el momento de espín, que son intercambiables en escalas de tiempo de los femtosegundos. El nuevo artículo de Víctor, cuyo primer autor es Christine Boeglin, utiliza pulsos de luz ultracortos para modificar el momento orbital de los electrones en un material megnético y observar gracias a pulsos de rayos X, cómo dicho momento se transfiere al espín. Un gran avance que posibilitará el desarrollo de sistemas de almacenamiento magnético de información ultrarrápidos. El artículo técnico es C. Boeglin et al., “Distinguishing the ultrafast dynamics of spin and orbital moments in solids,” Nature 465: 458–461, 27 May 2010.

Un partícula cuántica aislada, como un electrón, posee dos momentos magnéticos diferentes, el orbital (L) y el de espín (S), que pueden intercambiar su estado entre sí, siempre y cuando se conserve el momento magnético total. Para electrones moviéndose a velocidades relativistas en un sólido ambas componentes del momento magnético se entrelazan de tal forma que a escalas de femtosegundos es muy difícil separar sus efectos. Boeglin et al. han estudiado películas ferromagnéticas delgadas excitadas con pulsos ópticos ultracortos en el régimen de los femtosegundos. Gracias el uso de pulsos de rayos X polarizados circularmente (generados en el Sincrotrón de tercera generación BESSY, sito en Berlín, Alemania), también en el régimen de los femtosegundos, han sido capaces de estudiar de forma separada ambas componentes del momento magnético, revelando por primera vez cómo se transfiere momento entre L y S en respuesta a los pulsos incidentes. Su análisis permite entender la desmagnetización inducida por pulsos láser ultrarrápidos, de gran interés para el futuro desarrollo de las tecnologías de almacenamiento magnético de información.

El número dorado reluce como el oro en Science y en Nature

The golden ratio — an exact ‘magic’ number often claimed to be observed when taking ratios of distances in ancient and modern architecture, sculpture and painting — has been spotted in a magnetic compound,” Ian Affleck para Nature.

Imagina que haces un experimento y observas un resultado igual a 1’618. Lo que sea. ¿Qué pensarías? ¿En qué pensarías? Obviamente en el número dorado, en φ=(1+√5)/2, en la belleza de las matemáticas, en números de Fibonacci, en el grupo de Lie excepcional E8, en las pirámides de los egipcios, en los nautilus, en la espiral de Arquímedes, etc. Tu artículo científico describiendo tu experimento lo enviarías a revistas del máximo impacto, como Science o Nature, a ver si cuela, y en su caso, todos los medios se harían eco de la gran belleza de tu descubrimiento.

Un artículo teórico de A. B. Zamolodchikov [1], especialista en teoría cuántica de campos conformes, teorías de campos integrables, gravedad cuántica y el espaciotiempo fractal, presentó una idea curiosa: un modelo de Ising unidimensional para un material ferromagnético concreto era un ejemplo particular de una teoría de campos cuántica integrable. No entraré en detalles de lo que esto significa (las partículas en estas teorías son ondas de tipo solitón). Las dos partículas elementales más ligeras predichas por dicha teoría (mesones formados por dos quarks), sean A y B, obeceden la ley de la “democracia nuclear”: la partícula A es un estado ligado de dos partículas B y la partícula B es un estado ligado de dos partículas A. El cociente de las masas de dichas partículas coincide con el número dorado φ = mB/mA = (mA + mB)/mB = 1’618034. Gracias a la aparición de dicho número, Zamolodchikov descubrió una simetría oculta en dicha teoría cuántica con la estructura del grupo de Lie excepcional E8. Este grupo aparece en muchas teorías cuánticas de campos (teorías de cuerdas, teorías de gran unificación, y varios modelos en física de partículas elementales). Una teoría que era una mera curiosidad matemática de interés para un reducido número de expertos.

En enero de 2010 se publicó en Science un artículo de Radu Coldea (Universidad de Oxford) et al. [2] que ha aparecido en todos los medios y en infinidad de blogs (salvo en este, hasta hoy). Enfriaron una muestra de niobato de cobalto a 40 mK que bombardearon con neutrones tras aplicar un campo magnético, creando una serie de estados de tipo cuasipartícula. Cuando el campo magnético superó un valor crítico (5’5 Teslas) observaron que los dos estados de tipo cuasipartícula de mayor masa efectiva cumplían que mB/mA ≈ 1’618 (ver la figura superior derecha que abre esta entrada). Pensaron inmediatamente en la teoría de Zamolodchikov y en la realización experimental de un material con simetría E8. Número dorado, grupo E8, publicación en Science. Eco en todos los medios. Incluido este blog y la competencia de Science, Nature [3], motivo de esta entrada.

[1] A. B. Zamolodchikov, “Integrals of Motion and S-matrix of the (Scaled) T=Tc Ising Model with Magnetic Field,” International Journal of Modern Physics A 4: 4235-4248, 1989.

[2] R. Coldea et al., “Quantum Criticality in an Ising Chain: Experimental Evidence for Emergent E8 Symmetry,” Science 327: 177-180, 8 January 2010.

[3] Ian Affleck, “Solid-state physics: Golden ratio seen in a magnet,” News and Views, Nature 464: 362-363, 18 March 2010.

 

Visto en Microsiervos “Espectacular corto: «Nature by Numbers»

Observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno

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El grafeno (una lámina monoatómica de grafito, átomos de carbono) sigue sorprendiendo a los físicos por sus asombrosas propiedades electrónicas. Dos artículos publicados en Nature han observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno, por el que los electrones se comportan como si tuvieran carga fraccionaria, como cuasipartículas que fueran “trozos” de electrones. La interacción entre electrones en un sólido produce un campo efectivo que se interpreta como cuasipartículas con propiedades exóticas. Los electrones en un medio bidimensional plano al que se le aplica un campo magnético fuerte, con cierto ángulo respecto a dicho plano, se comportan como cuasipartículas con una carga fraccionaria, el llamado efecto Hall cuántico fraccionario, observado en experimentos en 1982 por Daniel Tsui y Horst Störmer en heteroestructuras semiconductoras ultrapuras (estructuras formadas por capas alternas en forma de sandwich). Nos lo cuenta Alberto F. Morpurgo, “Condensed-matter physics: Dirac electrons broken to pieces,” News & Views, Nature 462: 170-171, 12 Nov. 2009, que se hace eco de los artículos técnicos de Xu Du, Ivan Skachko, Fabian Duerr, Adina Luican, Eva Y. Andrei, “Fractional quantum Hall effect and insulating phase of Dirac electrons in graphene,” Nature 462: 192-195, 12 Nov. 2009, y Kirill I. Bolotin, Fereshte Ghahari, Michael D. Shulman, Horst L. Stormer, Philip Kim, “Observation of the fractional quantum Hall effect in graphene,” Nature 462: 196-199, 12 Nov. 2009.

En la presencia de un campo magnético los electrones están sometidos a la fuerza de Lorentz que curva su trayectoria en la dirección perpendicular a las del campo aplicado y su velocidad. Estos electrones son desviados y se acumulan en los bordes del material, generando un campo eléctrico que compensa exactamente la fuerza de Lorentz. El voltaje que resulta genera una resistencia eléctrica llamada de Hall, descubierta en 1879, que crece conforme crece el campo magnético aplicado. Un siglo después se descubrió que en un conductor plano (bidimensional) la dependencia de la resistencia con el campo aplicado es más complicada, presenta una serie de escalones (plateaux), debidos al comportamiento cuántico de los electrones en el campo magnético, los niveles de energía de Landau, el llamado efecto Hall cuántico (Premio Nobel de Física de 1985 para el alemán Klaus von Klitzing). En el centro del conductor, los niveles de Landau están separados por bandas prohibidas, pero en los bordes están curvados de forma que definen un canal por el cual los electrones se pueden propagar en una única dirección. Los lectores de Investigación y Ciencia pueden recurrir a Klaus von Klitzing, “El efecto Hall cuántico,” IyC 116, mayo 1986, o la recopilación de artículos de Física del Estado Sólido editada en 1993 por la misma editorial, Prensa Científica.

El efecto Hall cuántico se observa en materiales a muy baja temperatura. Sin embargo, en el grafeno dicho efecto también se observa a temperatura ambiente (descubierto en 2005) siendo el responsable de sus propiedades como semiconductor y dando lugar a las aplicaciones electrónicas del grafeno. Más aún, los niveles de Landau están indexados por un número entero, pero en ciertos materiales se observa que aparecen niveles indexados por un número no entero, se trata del efecto Hall cuántico fraccionario. En estos materiales la unidad de carga más pequeña no es el electrón, sino una fracción del electrón. Se ha observado que los electrones en el material se rompen en trozos, unas cuasipartículas de carga fraccionaria. Estas cuasipartículas exóticas tienen propiedades cuánticas muy curiosas que han sido demostradas experimentalmente. El material ideal para observar dichas propiedades y utilizarlas en aplicaciones es el grafeno.

El descubrimiento de que en el grafeno también se puede observar el efecto Hall cuántico fraccionario a temperaturas altas (aunque todavía no a temperatura ambiente, ya que se ha podido observar sólo a 20 K), es un gran avance (es una temperatura 100 veces superior a la de otros materiales). El dispositivo utilizado requiere suspender una tira de grafeno de unas pocas micras entre dos contactos de forma que los efectos del substrato no impidan observar el efecto Hall cuántico fraccionario. El resultado ha sido la observación de cuasipartículas con una carga de 1/3 la carga del electrón. Ahora los investigadores tendrán que caracterizar las funciones de onda de estas cuasipartículas y comprobar si corresponden a lo predicho para la teoría en función de la ecuación de Dirac para los electrones. Una posibilidad es aprovechar que el grafeno es plano para utilizar el microscopio de efecto túnel y visualizar dichas funciones de onda de carga fraccionaria directamente.

Por ahora las aplicaciones de este descubrimiento se limitarán al campo teórico, donde muchas cosas quedan aún por corroborar y descubrir en este interesante campo científico. Las aplicaciones prácticas que podrán tener estos descubrimientos son ahora difíciles de imaginar, pero haberlas las habrá.

El superconductor de alta temperatura más delgado: una capa monoatómica de un cuprato

Dibujo20091102_Schematic_illustration_layer-by-layer_LSCO-LCO_bilayer_six_unit_cells_thick_LSCO_nonsuperconducting_metal_M_and_LCO_insulatorLos cupratos están formados por capas alternas. ¿Cuántas capas planas son necesarias para observar la superconductividad? Sólo una. Un nuevo estudio experimental publicado en Science ha observado la superconductividad con una Tc de 32 K en una película “bicapa” con una sola capa metálica, dopada con zinc, LCZO, y una sola capa aislante, LCO. El dopado con zinc de toda la película de cuprato, elimina completamente la superconductividad. Cuando sólo se dopan ciertos planos, la temperatura crítica se reduce de 32 K a solo 18 K. Logvenov y sus colegas han dopado con zinc un solo plano de una “bicapa” y han observado que la Tc se mantiene en 32 K. Interpretan su experimento como que el origen de las superconductividad se encuentra en la capa monoatómica que hace de interface entre ambas capas de la bicapa, la metálica y la aislante. Han fabricado esta estructura utilizando la técnica de epitaxia por haces moleculares (MBE). El trabajo es un gran avance experimental que no sólo aporta gran información para los teóricos sino que además tendrá múltiples aplicaciones que requieren capas superconductoras ultradelgadas. El artículo técnico es G. Logvenov, A. Gozar, I. Bozovic, “High-Temperature Superconductivity in a Single Copper-Oxygen Plane,” Science 5953: 699-702, 30 October 2009. Se han hecho eco de este artículo en “High-temperature superconductor goes super thin,” Physics Today, Nov 2, 2009.

Estudiar si una sola capa de un cuprato puede ser superconductora es difícil porque una capa ultradelgada presenta defectos superficiales que reducen la temperatura crítica como la rugosidad superficial o la interdifusión de cationes con el substrato.  En superconductores de la familia de los La-Sr-Cu-O, la temperatura crítica más alta observada en películas delgadas era de unos 10 K en películas formadas por 4 planos de óxido de cobre superconductores. En capas biatómicas de plomo se observó la superconductividad convencional (BCS) este año (“Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo,” 7 Mayo 2009).

Descubrir el secreto de la superconductividad de alta temperatura crítica le quita el sueño a muchos investigadores. Un fenómeno polifacético del que cada día descubrimos nuevas caras. Los cupratos están formados por capas alternas (los pnicturos también). Muchos teóricos piensan que el origen de la superconductividad de alta Tc está en dicha estructura en capas planas. Han dopado una a una las capas de una película ultradelgada de cuprato para obtener la estructura de la figura: con 6 capas metálicas (LSCO), una capa aislante LCO, una metálica LCZO y 4 aislantes (LCO). La adición de zinc a una capa de óxido de cobre reduce la Tc en dicha capa a sólo 18 K (dopar todas las capas, la destruye). El nuevo estudio ha mostrado la estructura superconductora más delgada conocida, con una sola capa con un grosor de 3 celdas unidad de la estructura cristalina que es superconductora con una temperatura de transición de 32 K. Un trabajo espectacular y necesario desde que se descubrió que algunos pnicturos son superconductores tridimensionales, a diferencia de los cupratos y el resto de los pnicturos. Cada día el secreto de los superconductores de alta Tc está más próximo.

Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines

Dibujo20090903_spin_ice_and_both_poles_monopoles_in_figure_E

Cuatro artículos, dos publicados en Science y dos preprint en ArXiv, confirman la observación directa de monopolos magnéticos como cuasipartículas en diferentes cristales de hielo de espines. Estos monopolos magnéticos fueron observados de forma indirecta en 2007 por Castelnovo et al. (publicado en Nature). Morris et al. y Fennell et al. los han logrado observar de forma directa, publicando sendos artículos que aparecerán en Science. Morris et al. han observado directamente mediante neutrones cadenas de monopolos, como cuentas de un collar, que se denominan cuerdas de Dirac (Dirac strings). Fennell et al. han observado mediante neutrones polarizados una fase de Coulomb casi perfecta, sólo explicable por la existencia de monopolos magnéticos. Ambos artículos conforman la evidencia más fuerte de la existencia de monopolos magnéticos en física del estado sólido. Los artículos en ArXiv la ratifican fuera de toda duda.

Nos lo cuenta Geoff Brumfiel, “‘Overwhelming’ evidence for monopoles. Multiple experiments reveal materials with single points of north and south,” Nature, Published online 3 September 2009, haciéndose eco de los artículos técnicos de D. J. P. Morris et al. “Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7,” Science Express, Published Online September 3, 2009, y T. Fennell et al. “Magnetic Coulomb Phase in the Spin Ice Ho2Ti2O7,” Science Express, Published Online September 3, 2009. La observación indirecta de estos monopolos magnéticos fue publicada en C. Castelnovo, R. Moessner, S. L. Sondhi, “Magnetic monopoles in spin ice,” Nature 451: 42-45, 3 January 2008. Los artículos en ArXiv son S. T. Bramwell et al. “Magnetic Charge Transport,” ArXiv, Submitted on 6 Jul 2009, y Hiroaki Kadowaki et al. “Observation of Magnetic Monopoles in Spin Ice,” ArXiv, Submitted on 25 Aug 2009, y

Recordemos. Un imán tiene dos polos, norte y sur. Un monopolo sólo tiene un polo, sea norte o sea sur. Los monopolos magnéticos que han sido observados en pequeños cristales enfriados cerca del cero absoluto tienen un tamaño inferior a un nanómetro. Han sido observados monopolos de las dos clases, tanto tipo polo norte y como tipo polo sur. El material utilizado, hielo de espines, es un material cristalino en el que los átomos (pequeños imanes) se colocan en los vértices de tetraedros (igual que en el hielo, agua sólida). Estos pequeños átomos se alinean bajo el efecto de un campo magnético. El centro de los tetraedros se comporta como una cuasipartícula. Los artículos en Science han demostrado que éstas se comportan como monopolos magnéticos. ¿Esto equivale a observar directamente monopolos magnéticos? Sí, ya que desde un punto de vista cuántico una partícula y una cuasipartícula se comportan exactamente igual.

Los monopolos magnéticos han sido buscados durante mucho tiempo. Muchas teorías cuánticas de campos (variantes del Modelo Estándar de partículas elementales) predicen su existencia y su generación durante la Gran Explosión (Big Bang). El nuevo resultado experimental, aunque alejado de estos lares, es una evidencia fuerte de que la Naturaleza no prohibe la existencia de monopolos magnéticos. Un fuerte ímpetu a la búsqueda de los monopolos magnéticos como partículas elementales tanto en rayos cósmicos como en los grandes aceleradores de partículas, como el LHC del CERN.

PS (6 sep. 2009): Muy interesante el artículo de Adrian Cho, “Physicists Create Magnetic Monopoles–Sort Of,” ScienceNOW Daily News, 4 September 2009, sobre todo por los comentarios que ha generado el “sort of” del título. Uno de los comentarios nos recuerda, como se ve en las figuras C, D, y E que abren esta entrada, que en realidad los monopolos descubiertos no están aislados, aparecen a pares: dos monopolos opuestos (norte y sur, o azul y rojo, en puntos “gordos” de la figura), que más tarde pueden ser separados una gran distancia, pero siempre tiene que haber dos monopolos en el material. Un monopolo bien separado de su opuesto puede ser estudiado con detalle “casi” como si estuviera aislado (de ahí la importancia del descubrimiento), pero la necesidad de que solo se puedan generar pares de monopolos opuestos es como la letra pequeña, cuando la lees parece que algo cambia.

PS (11 marzo 2012): Esta noticia de prensa que nace en Science y que es ratificada por Nature, en realidad requiere una aclaración. No se han observado monopolos magnéticos porque la divergencia del campo mangético microscópico es cero en estos sistemas (al contrario que alrededor de una partícula tipo monopolo magnético). La única manera de que fueran monopolos es que los tubos de flujo magnético fueran infinitamente finos (no observables). No los aclara muy bien James L. Pinfold, “The MoEDAL Detector and Its Physics,”  Trento Workshop, 28th February 2010 (repetida en DIFF2012, Feb. 27-Mar. 2, 2012).