Conoce el nuevo estado de la materia

Ya hay un nuevo estado de la materia. El descubrimiento, que ocurrió como cortesía de un equipo internacional liderado por Kosmas Prassides de la Universidad Tokohu en Japón, es un nuevo material con una combinación inusual de propiedades: es aislante, superconductor, metal e imán. Lo más interesante para nosotros los mortales es su superconductividad a altas temperaturas. Digamos que este estado vendría siendo el 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 éstos, hay un catálogo entero de alternativas de la materia: el condensado de Bose-Einstein, la materia degenerada, los supersólidos/superfluídos, el plasma quark-gluones, entre otros. 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. Están dopadas con átomos de rubidio y se utilizan para controlar y mantener la distancia entre las bolas de bucky que, a su vez, ajustan las propiedades/fases del material.

Es en este ajuste donde encontramos el nuevo y anteriormente desconocido estado o estados de la materia. A este se le conoce como "metal Jahn-Teller", que se produce luego de que un material sufre el efecto Jahn-Teller, que relaciona la deformación estructural de las moléculas encontradas en un material con las propiedades eléctricas. Mejor dicho: 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 a que las moléculas estén más juntas. Pero también es posible hacer lo mismo químicamente ajustando la distancia entre moléculas al agregar o restar alguna especie de barrera 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 ocurre una sobreposición de clases y el material se ve 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 antes", escribió Hamish Johnston en Physics World. "Investigadores lo han llamado 'metal Jahn-Teller' porque cuando el material es estudiado utilizando un espectroscopio infrarrojo, las moléculas fullereno muestran distorsiones como de pelota de rugby, que sólo ocurren en materiales 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". En cristiano: este nuevo material tiene lo mejor de los dos mundos.

Esto es muy importante porque la transición de aislante a metal también es una transición de aislante a un potencial superconductor. El metal resultante solo necesita temperaturas suficientemente bajas para que sus electrones comiencen a emparejarse y a saltar alrededor, lo que resulta en la repentina baja a exactamente cero resistencia eléctrica. Ésta, obviamente, es una propiedad muy deseada.

Este emparejamiento de electrones, que se conocen como pares de Cooper, es crucial para la superconductividad. A medida que la temperatura de un material desciende la fuerza de atracción entre los electrones, que antes era obsoleta, se vuelve significativa. Los electrones que antes se repelían entre sí 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 sí mismos. El resultado es la superconductividad.

Lo más extraño de los metales Jehn-Teller es que hasta ahora no tenemos ni idea qué causa que los electrones dentro de ellos se emparejen. Dentro de un superconductor convencional, el emparejamiento pasa por un intercambio de fondones, 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 de 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 óptimas para las temperaturas altas, o temperaturas aún más altas, que permitan la superconductividad. Como concluyó Prassides: "Esta es una gran motivación para buscar nuevos materiales superconductores a nivel molecular, dado que la química sintética permite la creación de nuevas estructuras electrónicas distintas a aquellas en los átomos e iones".