La investigación demuestra la existencia de un nuevo líquido de electrones no convencional, que explica diversidad de experimentos y podría aportar en el futuro a una electrónica molecular.
El estudio, que dio origen a una publicación en la prestigiosa revista científica Nature Communications, fue producido en el marco de la tesis doctoral del Dr. Germán Blesio, que fue dirigida por el Dr. Luis Manuel, Director de la Licenciatura en Física de la FCEIA.
Un largo trayecto previo
En 2019 Luis Manuel y Germán Blesio, docentes de la FCEIA e integrantes del Instituto de Física Rosario, junto a Armando Aligia y Pablo Roura Bas, del Centro Atómico Bariloche, habían planteado la existencia de un “líquido de Fermi no Landau”. Dos años después, logran interpretar el comportamiento eléctrico de ciertas moléculas que contienen hierro sobre superficies de oro como una manifestación clara de la existencia de tal líquido electrónico. Dicho estudio fue plasmado en un artículo publicado recientemente en Nature Communications, trabajo al cual se sumó el científico esloveno Rok Žitko.
“En la tesis de German se estudió uno de los modelos vinculados con el efecto Kondo y en el interín surgió, a nivel teórico, el hallazgo de un nuevo líquido de electrones” indica el Dr. Luis Manuel, quien añade que la tesis realizada por Blesio aborda el efecto Kondo en Materia Condensada, descubierto en 1930, relacionado con la medición de resistencia eléctrica de materiales. “Con respecto a la resistencia de un metal, al pasar la electricidad, cuando se acerca la temperatura al cero absoluto, que es 273 bajo cero grados centígrados, se espera que pierda toda resistencia o bien si el material tiene defectos, se vaya a un valor muy pequeño. En los ´30, ya veían que en ciertos sistemas cuando bajaban las temperaturas, la resistencia iba cayendo, pero, debajo de cierta temperatura, empezaba a subir. Era algo que se observaba en sistemas muy particulares, parecía un simple detalle, un comportamiento anómalo de la resistencia. Pasaron casi 30 años y aún no se comprendía el por qué pasaba” indica Luis Manuel.
Continuando con los antecedentes históricos, en el año 1964, Jun Kondo describió por primera vez este comportamiento, el aumento de la resistencia al bajar la temperatura, denominado a partir de ese momento Efecto Kondo: había átomos magnéticos que estaban muy dispersos -un átomo magnético cada millón de los otros átomos de metal- sin embargo, eso era suficiente para que aparezca el comportamiento observado. “Desde el punto de vista de la teoría quedaban muchas cosas sin explicar y eso generó muchos trabajos teóricos. Alrededor de los ´70 el Efecto Kondo, se pensaba que estaba ya resuelto, pero a finales de los 90, principios del 2000, con el avance de técnicas experimentales que permitían la fabricación a nivel atómico de sistemas, este tema empezó a resurgir, porque es un efecto que genera comportamientos electrónicos muy variados, que dependen fuertemente de la química, de los iones que están en juego, de las superficies, es decir, de muchos detalles” explica Manuel.
Liquido de Fermi no Landau
Se dice que un comportamiento de la materia es exótico cuando no se ajusta a los paradigmas teóricos convencionales. “En el caso de un metal lo convencional es el líquido de Fermi de Landau. El modelo más sencillo de un metal es el gas de Fermi, el cual es el análogo cuántico de un gas ideal clásico, es un gas de electrones que obedecen las leyes de la física cuántica, lo cual implica apartarse de cierta lógica del sentido común. En un gas de Fermi se considera que los electrones no se repelen, que son independientes entre sí, pero sabemos que no es así porque los electrones sí se repelen eléctricamente. Sin embargo, paradójicamente, este modelo lograba explicar el comportamiento de muchos metales. En los 50’s, el físico ruso Lev Landau estudia el efecto de la repulsión entre electrones y encuentra que las interacciones modifican un poco las propiedades del gas de Fermi pero sin cambiar su esencia. Esto da origen al concepto de líquido de Fermi de Landau, que es un estado electrónico que se obtiene “deformando” continuamente un gas de Fermi” explica Manuel.
“Lo que se encontró en la investigación de la tesis doctoral de Germán Blesio es que uno de estos sistemas que los científicos estudiaban por el Efecto Kondo era un líquido de Fermi, eran electrones independientes, pero que no se podía conectar continuamente a un gas de Fermi. Esto dio como resultado algunas publicaciones, que fueron las bases de la tesis de German. Habíamos encontrado un líquido de Fermi no Landau, hasta ese momento era una propuesta teórica, pero a principios del 2020, nos topamos con un sistema, consistente en moléculas de talocianinas de hierro sobre oro, estudiado por varios grupos de físicos experimentales que nos permitió comprobar la teoría” relata el Dr. Luis Manuel.
Lo que el grupo de investigación obtuvo fueron resultados que lograban explicar estos experimentos de una manera consistente, con una sola teoría y era un indicio de que el sistema experimental era un ejemplo de ese liquido de Fermi no Landau. “Eso lo hicimos en los últimos dos años, en el medio, como hacía falta desde el punto de vista numérico una potencia de cálculo importante, contactamos a Rok Žitko. Con él, durante el 2020 logramos, además de lo cualitativo, un acuerdo semi cuantitativo” apunta Luis Manuel.
Uno de los objetivos finales por el cual se llevan a cabo este tipo de investigaciones con moléculas sobre superficies y otros nanosistemas, es generar dispositivos electrónicos a escalas atómicas, con funcionalidades novedosas debido al comportamiento cuántico de la materia. Este es un área de investigación muy activa actualmente, aunque todavía falta bastante para que este tipo de dispositivos puedan usarse a escala comercial.
El contacto e investigación llevada a cabo con el científico esloveno permitió que Germán Blesio tenga la oportunidad de continuar con sus estudios, en este caso posdoctorales, en Eslovenia.
En fotografía:
Luis Manuel, Armando Aligia y Germán Blesio.
