Científicos estadounidenses descubren un material que cambia entre estados cuánticos cuando lo deseen

El Laboratorio Nacional Argonne es el primer laboratorio nacional de investigación en ciencia e ingeniería de los Estados Unidos de América. «Descendiente» del Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, debido a la peligrosidad de los experimentos allí realizados, el sitio se trasladó a una sección ubicada en el boque de Argonne que forma parte de una reserva natural.

Dirigido desde el año 2009 por Eric Isaacs, desarrolla un amplio catálogo de investigaciones en ciencias básicas, almacenamiento de energía y energías renovables, sostenibilidad ambiental y seguridad nacional. Actualmente, el laboratorio (ubicado en una parcela de 6,9 kilómetros cuadrados) está administrado por el Departamento de Energía de Estados Unidos, a través de UChicago Argonne, LLC.

Un grupo de científicos liderado por el Laboratorio Nacional Argonne ha identificado una propiedad cuántica conmutable y poco común en un nuevo tipo de material de sulfuro de níquel. Este descubrimiento podría tener aplicaciones en transistores de alta velocidad, sensores adaptativos y otros dispositivos que requieren que la estructura electrónica del material se controle en tiempo real.

El compuesto fue creado como parte de una búsqueda continua para desarrollar más superconductores

El compuesto K x Ni 4 S 2 (0 ≤ x ≤ 1) contiene níquel y azufre intercalados entre capas de potasio. La sigla "(0 ≤ x ≤ 1)" en su nombre indica que la cantidad de potasio en el material puede variar desde la ausencia total de potasio hasta un átomo completo de potasio, según la muestra. Fue creado como parte de una búsqueda continua para desarrollar más superconductores.

Los investigadores, al examinar las características del material laminar, descubrieron que al aplicar una corriente eléctrica, las capas de potasio se desplazaban hacia afuera, colapsando la estructura y modificando la estructura del material. Esta acción, que es reversible, permite que un mismo material albergue dos tipos diferentes de características cuánticas: conos de Dirac y sistemas de banda plana.

Mercouri Kanatzidis, profesor de la Universidad Northwestern y científico de materiales en Argonne, quien dirigió la investigación, explicó: "Se puede ajustar la cantidad de potasio que libera el material, desde su capacidad máxima hasta su mínima, y ​​cualquier punto intermedio. Esto significa que se puede cambiar de un estado cuántico a otro, todo dentro del mismo material". Añadió: "No conozco ningún otro material que pueda hacer esto; si existe, no es muy conocido".

Los conos de Dirac y las bandas planas pueden funcionar como controladores de tráfico para los electrones, que son partículas subatómicas con carga negativa. Los electrones en un cono de Dirac parecen ligeros y pueden moverse muy rápido; en una banda plana, los mismos electrones parecen masivos y se ralentizan.

No se trata del primer descubrimiento inesperado surgido de la investigación sobre materiales superconductores realizada por Kanatzidis y sus compañeros. Otro compuesto, diseñado originalmente como un superconductor, resultó ineficaz para ese propósito, pero se convirtió en un excelente candidato para baterías y otras tecnologías de conversión de energía.

El objetivo final de la ciencia fundamental que crea estos nuevos compuestos es descubrir nuevos materiales cuánticos y superconductores. La financiación de la investigación provino de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, el Laboratorio Nacional Argonne, la Fundación Nacional de Ciencias, la Universidad de Georgetown y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía.

Kanatzidis dijo: "La alta concentración de níquel en este material implica que los átomos de níquel deben interactuar y unirse entre sí, y creemos que eso es lo que da origen a sus interesantes propiedades. Ahora comprendemos mucho mejor qué origina este tipo de compuesto, y queremos generalizar nuestro método de síntesis para encontrar más materiales similares".