EEUU dispara un láser contra un nuevo material de tierras raras y al observarlo descubre que se ha reconstruido por sí solo

Un equipo de físicos de EEUU ha disparado pulsos láser sobre un material cuántico y ha comprobado cómo su estructura electrónica volvía a organizarse tras ser alterada. El experimento, publicado en Nature Physics y liderado por investigadores del MIT, permite observar con un nivel de detalle poco habitual cómo aparecen diferentes fases electrónicas dentro de un mismo material. El protagonista es el tritelururo de erbio, un compuesto de tierras raras cuyo comportamiento cambia drásticamente cuando se somete a temperaturas extremadamente bajas. Los científicos buscaban entender un fenómeno que lleva años planteando preguntas en la física de materiales.

El tritelururo de erbio resulta especialmente interesante porque puede albergar al mismo tiempo dos ondas de densidad de carga, conocidas como CDW por sus siglas en inglés. Estas fases aparecen cuando los electrones dejan de distribuirse uniformemente y pasan a organizarse colectivamente formando patrones similares a ondas. La primera surge cuando el material se enfría por debajo de unos -8 °C, mientras que una segunda aparece alrededor de los -113 °C. Ambas se cruzan perpendicularmente hasta dibujar una especie de tablero electrónico dentro del cristal.

Para analizar cómo nacían realmente esas estructuras, los investigadores trabajaron con muestras atómicamente delgadas y las enfriaron hasta casi los -230 °C, asegurándose así de que las dos fases estuvieran presentes. Después recurrieron a una sucesión cuidadosamente controlada de pulsos láser. El primero actuaba como una fuerte perturbación capaz de destruir o debilitar el patrón electrónico previamente formado. A partir de ese instante comenzaba la parte decisiva del experimento: observar qué hacían los electrones para recuperar su organización.

Dos pulsos láser para observar los electrones

El segundo pulso láser tenía una función diferente. Sus fotones de alta energía expulsaban electrones de la muestra en distintos momentos después de la primera perturbación, permitiendo a los físicos medir su energía y su momento y reconstruir así la evolución del sistema. “Así es como ‘sacudimos’ y después ‘escuchamos’ al sistema”, explicó Nuh Gedik, profesor de física del MIT y responsable del equipo. La técnica permitió seguir prácticamente paso a paso la recuperación de las dos fases de densidad de carga.

Los resultados mostraron primero un comportamiento relativamente familiar. La onda dominante reapareció de manera gradual y uniforme independientemente de la intensidad con la que hubiera sido perturbada por el láser. Los investigadores identificaron este proceso como una transición de fase de segundo orden, comparable a otros cambios progresivos estudiados tradicionalmente por la física. Sin embargo, la reconstrucción de la segunda onda siguió un camino completamente distinto y fue precisamente ahí donde apareció la sorpresa.

La fase secundaria no regresó de forma uniforme por todo el material. Los electrones empezaron a reorganizarse en pequeños núcleos aislados que crecían y se extendían progresivamente hasta recuperar el patrón completo. El comportamiento recuerda a lo que ocurre cuando el agua comienza a congelarse y aparecen pequeños cristales de hielo que después se expanden. El equipo determinó así que esta segunda estructura se forma mediante una transición de primer orden, un mecanismo cuya naturaleza había sido objeto de debate durante años.

Una pista para los materiales cuánticos

El hallazgo indica que dos fases electrónicas capaces de coexistir dentro de un mismo material pueden surgir mediante mecanismos físicos fundamentalmente diferentes. “El mecanismo responsable de la aparición de esta segunda fase se ha debatido durante mucho tiempo, y nuestro enfoque proporciona una nueva y potente forma de descubrir la física oculta detrás de las transiciones de fase en los materiales cuánticos”, señaló Nuh Gedik. Para los investigadores, el tritelururo de erbio funciona como un sistema relativamente sencillo con el que estudiar problemas mucho más complejos.

La importancia del experimento va más allá de este compuesto concreto. Materiales como los superconductores de alta temperatura pueden albergar simultáneamente magnetismo, superconductividad y ondas de densidad de carga, por lo que comprender cómo nacen y cómo interactúan estas fases puede resultar determinante para controlar sus propiedades. “La gente cree que la piedra angular para sustituir al silicio está en materiales cuánticos que tienen múltiples fases coexistentes”, afirmó Alfred Zong, que codirigió el estudio durante su etapa en el MIT y actualmente trabaja en la Universidad de Stanford.

Un equipo de físicos de EEUU ha disparado pulsos láser sobre un material cuántico y ha comprobado cómo su estructura electrónica volvía a organizarse tras ser alterada. El experimento, publicado en Nature Physics y liderado por investigadores del MIT, permite observar con un nivel de detalle poco habitual cómo aparecen diferentes fases electrónicas dentro de un mismo material. El protagonista es el tritelururo de erbio, un compuesto de tierras raras cuyo comportamiento cambia drásticamente cuando se somete a temperaturas extremadamente bajas. Los científicos buscaban entender un fenómeno que lleva años planteando preguntas en la física de materiales.