Conoce el nuevo estado de la materia

Esto es un poco menos emocionante de lo que suena: ya hay un nuevo estado de la materia. El descubrimiento, que ocurrió cortesía de equipo internacional liderado por Kosmas Prassides de la Universidad Tokohu en Japón, es un nuevo material con una inusual combinación de propiedades: es aislante, superconductor, metal e imán. Lo que despierta un interés particular es la superconductividad a altas temperaturas, algo como un santo grial de los materiales y un misterio persistente de la física.

Hay muchos estados de la materia. Todos conocemos el sólido, líquido, gaseoso y probablemente el plasma, pero más allá de estos hay un catalogo entero de alternativas de la materia: el condensado de Bose-Einstein, la materia degenerada, los supersólidos/superfluídos, el plasma quark-gluones, etc. La diferencia es que todas estas alternativas son creadas en laboratorios y no tienen mucho lugar en el mundo real de la naturaleza. El nuevo material del grupo Prassides es uno de estos estados, una disposición cristalina de las moléculas del carbono-60, mejor conocidas como bolas de bucky, dopadas con átomos de rubidio las que son utilizadas para controlar y mantener la distancia entre las bolas de bucky y ajustando las propiedades/fases del material.

Es en este ajuste donde encontramos el nuevo y anteriormente desconocido estado o estados de la materia, los que son conocidos como "metales Jahn-Teller" luego de ocurrido el efecto Jahn-Teller que relaciona la deformación estructural de las moléculas encontradas en un material con las propiedades eléctricas. En fácil, al aplicar o remover presión es posible impulsar la conductividad de lo que podría haber sido un aislante a bajas presiones. A altas presiones es conductor.

Esto es lo que hacen los átomos de rubidio: aplicar presión. Usualmente cuando pensamos en aplicar presión creemos que es apretar algo, forzando que las moléculas estén más juntas utilizando la fuerza bruta. Pero también es posible hacer lo mismo químicamente ajustando la distancia entre moléculas al agregar o restar alguna especie de barreras entre ellas, quizás agregando algunos átomos extra.

Lo que sucede con el metal Jahn-Teller es que mientras se aplica presión, lo que antes era un aislante (gracias al efecto Jahn-Teller que distorsiona la electricidad) se transforma en metal y el efecto permanece por cierto tiempo. Las moléculas mantienen sus antiguas formas. Entonces hay un sobreposición de clases y el material se ve mucho como un aislante, pero los electrones también son capaces de moverse libremente alrededor como si este material fuera un conductor.

"Lo sorpresivo sobre esta transición entre metal y aislante es que implica un estado intermedio que nunca había sido visto anteriormente" escribió Hamish Johnston en Physics World. "Investigadores lo han apodado como "metal Jahn-Teller" porque cuando el material es estudiado utilizando un espectroscopio infrarrojo, las moléculas fullereno claramente muestran distorsiones como de pelota de rugby, las que sólo ocurren en los aislantes. De todas formas las mediciones de resonancia magnética nuclear claramente muestran que los electrones son capaces de "saltar" desde una molécula a la otra, lo que es la característica de un metal conductor".

Esto es muy importante porque la transición de aislante a metal también es una transición de aislante a un potencial superconductor. El metal resultante sólo necesita temperaturas suficientemente bajas y hasta que sus electrones comienzan a emparejarse y saltar alrededor, lo que resulta en la repentina baja a exactamente cero resistencia eléctrica (!). Esta, obviamente, es una propiedad muy deseada.

Es este emparejamiento de electrones, los que son conocidos como pares de Cooper, lo que es crucial para la superconductividad. A medida que la temperatura de un material baja, básicamente de un momento a otro, la fuerza de atracción entre los electrones que era insignificante se transforma en significativa. Los electrones que antes se repelían entre si ahora se atraen. Estos pares pueden "condensarse" en un estado de energía unificado o estado de más baja energía. En este estado los electrones no tienen permitido dispersarse o hacer algo por si mismos. Es resultado es la superconductividad.

Lo más extraño de los metales Jehn-Teller es que hasta ahora no tenemos idea que causa que los electrones dentro de ellos se emparejen. Dentro de un superconductor convencional ellos hacen esto porque están intercambiando fondones, los que son excitaciones ("cuasiparticulas") encontradas dentro del enrejado molecular de algunas materias y su efecto es la atracción. De nuevo, esto ocurre a temperaturas extremadamente bajas.

Si el metal Jehn-Teller involucra algún otro mecanismo de emparejamiento de electrones, esto podría significar la posibilidad que ocurra la superconductividad a temperaturas no tan bajas. Los investigadores sólo deben descifrar cuál es ese otro mecanismo: "La relación entre los aislantes padres, que es el estado metálico normal sobre las temperaturas superconductivas, y el mecanismo emparejamiento es una pregunta clave para entender a los superconductores no convencionales" escribió Prassides en Science Advances.

Entonces puede ser posible "determinar sintéticamente" algunas subestructuras moleculares optimas para las temperaturas altas, o temperaturas mas altas aun, que permitan la superconductividad. Como Prassides y compañía concluyeron, "ya que la química sintética permite la creación de nuevas estructuras electrónicas distintas a aquellas en los átomos e iones, las que dominan los superconductores más conocidos, esta es una gran motivación para buscar nuevos materiales superconductores a nivel molecular".