Cuando éramos niños, quizás alguien nos enseñó a entender la electricidad como una corriente de “bolitas diminutas” —electrones— moviéndose por un cable, como si fueran cuentas de un collar. Incluso a nivel universitario, esta imagen persiste, con matices. Sabemos que los electrones no se mueven solos, sino que su comportamiento colectivo da lugar a “cuasipartículas”, un concepto que ha reinado durante más de sesenta años gracias a la teoría de líquidos de Fermi.
Pero, ¿y si esa imagen de corriente granular no fuera universal? ¿Y si en ciertos materiales los electrones se comportaran como una especie de fluido cuántico continuo, sin granos ni partículas definidas? Esta posibilidad no es nueva, pero hasta ahora no se había demostrado experimentalmente. Eso es lo que ha conseguido un equipo internacional de investigadores, midiendo algo tan peculiar como el ruido de disparo en un metal exótico.
Los llamados metales extraños se comportan de forma muy distinta a los metales convencionales. A bajas temperaturas, su resistividad no crece con el cuadrado de la temperatura como en un buen metal, sino de forma lineal. Esta simple observación experimental ya indicaba que algo fallaba en el marco de los líquidos de Fermi.
Los metales extraños aparecen en contextos muy diversos, desde los cupratos superconductores hasta materiales de grafeno retorcido. En todos ellos, hay un factor común: están cerca de un punto crítico cuántico, donde la materia cambia de fase a temperatura cero. En esos puntos, las cuasipartículas pueden dejar de existir.
Como explica el artículo, “los metales extraños son líquidos no fermiánicos que muestran una resistividad eléctrica que crece linealmente con la temperatura”. Lo desconcertante es que esta propiedad aparece sistemáticamente en múltiples familias de materiales, lo que sugiere una física subyacente aún por entender.
El ruido que revela secretos
El ruido de disparo no es algo indeseado; al contrario, es una herramienta para estudiar los mecanismos microscópicos del transporte eléctrico. Se trata de las fluctuaciones aleatorias en la corriente debido al paso discreto de cargas eléctricas. Cuando los portadores de carga son partículas independientes, como los electrones en un metal normal, este ruido es alto. Pero si el flujo es continuo y sin gránulos —como el agua en vez de gotas—, el ruido se atenúa.
En este estudio, el equipo encontró que el material YbRh₂Si₂ presenta niveles de ruido muy por debajo de lo esperado, incluso cuando se tienen en cuenta los efectos de dispersión entre electrones o con fonones. Esto apunta a una conclusión osada: la corriente no está compuesta por entidades discretas, sino por un fluido colectivo, sin cuasipartículas.
La cita clave del artículo es clara: “La corriente no está transportada por cuasipartículas bien definidas en el régimen de metal extraño que exploramos”.
Cómo se hizo el experimento
El desafío técnico era enorme. Para medir el shot noise sin que el resultado se viera contaminado por otros efectos, los investigadores tuvieron que fabricar nanohilos de alta pureza, a partir de películas epitaxiales del material, con un espesor de solo 60 nanómetros. Además, desarrollaron un sistema de medición extremadamente preciso, capaz de distinguir entre el ruido térmico y el ruido de disparo.
Se compararon los resultados con nanohilos de oro, que sí muestran un ruido acorde con las predicciones del modelo de Fermi. Esta comparación fue clave para validar que lo observado en el metal extraño no era un artefacto experimental. Los investigadores escriben: “El ruido medido es mucho menor que las expectativas para un líquido de Fermi, incluso en el límite de interacción débil entre electrones”.
Además, realizaron un control para descartar el papel de los fonones. Con nanohilos más largos, midieron directamente el acoplamiento electrón-fonón, y encontraron que era demasiado débil como para explicar la reducción del ruido. La conclusión fue contundente: la causa debía estar en la ausencia de cuasipartículas.
¿Qué significa que no haya cuasipartículas?
Las cuasipartículas son una especie de ilusión útil: no son partículas reales, pero en muchos materiales se comportan como tales. Representan el movimiento colectivo de los electrones en presencia de interacciones. En un líquido de Fermi, las cuasipartículas tienen una vida larga, una energía definida y una forma de onda clara. Pero en el metal extraño estudiado aquí, todo eso desaparece.
La función espectral del sistema —una medida de cómo se distribuyen los estados electrónicos— pierde cualquier traza de definición. No hay picos, ni discontinuidades, ni bordes bien definidos en la distribución de energías. El resultado es una sopa cuántica continua, incapaz de generar el ruido que esperaríamos si existieran entidades granulares.
De hecho, los autores explican que “en el límite extremo, donde las excitaciones electrónicas no son dispersivas, el factor de Fano se anula completamente (F = 0)”. El factor de Fano mide la relación entre el ruido observado y el ruido esperado para cargas discretas. En este experimento, su valor fue cercano a cero, algo inédito.
Implicaciones futuras
La importancia de este hallazgo va más allá del caso particular de YbRh₂Si₂. El concepto mismo de transporte eléctrico podría necesitar una revisión, al menos en materiales cercanos a puntos críticos cuánticos. Y esto tiene consecuencias en áreas tan diversas como la computación cuántica, la física de materiales extremos y, sobre todo, la superconductividad a alta temperatura.
Muchos materiales superconductores presentan comportamiento de metal extraño justo antes de entrar en la fase superconductora. Comprender esta fase puede ser la clave para desbloquear la física detrás de la superconductividad no convencional, uno de los grandes enigmas actuales.
El artículo concluye con esta frase: “El ruido de disparo proporciona una oportunidad para comprobar hasta qué punto estos metales extraños pueden encajar dentro de un único paradigma teórico”. En otras palabras, la física está ante una puerta abierta a una nueva teoría de la materia electrónica.
Referencias
- Liyang Chen, Dale T. Lowder, Emine Bakali, Aaron Maxwell Andrews, Werner Schrenk, Monika Waas, Robert Svagera, Gaku Eguchi, Lukas Prochaska, Yiming Wang, Chandan Setty, Shouvik Sur, Qimiao Si, Silke Paschen y Douglas Natelson, Shot noise in a strange metal, Science, vol. 382, nº 6673, pp. 907-911, 23 noviembre 2023. https://doi.org/10.1126/science.abq6100.
Cortesía de Muy Interesante
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