ORMUS: Metales no metálicos
por David Bradley, The Alchemist, ChemWeb Magazine, 23 de mayo de 2003
Investigadores estadounidenses buscaban signos de superconductividad en cúmulos metálicos a escala nanométrica cuando se dieron cuenta de que las reglas se estaban rompiendo en su laboratorio, escribe David Bradley. Mantenían los cúmulos de niobio agradables y frescos, por debajo de los 20 Kelvin, cuando estos materiales normalmente bien comportados comenzaron a actuar de manera extraña. Se liberaron de las ataduras de su predecible carácter metálico y comenzaron a adoptar una postura bastante no metálica, ignorando todo lo que se espera de ellos. Según el equipo del Instituto de Tecnología de Georgia (GATech), que solo pudo ser testigo de los acontecimientos, el sorprendente comportamiento es por el momento totalmente inexplicable. Tal actividad en cúmulos de metal frío podría explotarse para abrir un nuevo campo de investigación que ayude a mejorar nuestra comprensión de la superconductividad.
Cúmulos en condensación
Walter de Heer, de la Escuela de Física de GATech y sus colegas Ramiro Moro, Xiaoshan Xu y Shuangye Yin, han creado cúmulos a escala nanométrica de niobio, así como de un puñado de otros metales de transición. Los cúmulos se producen utilizando un aparato hecho a medida que incluye un láser, una gran cámara de vacío, un sistema criogénico y un detector personalizado para caracterizar varios millones de partículas por hora. "Los cúmulos de niobio se liberaron de las ataduras de su predecible carácter metálico y comenzaron a adoptar una postura bastante no metálica por debajo de los 20 K".
El rayo láser se dirige a una varilla de niobio sostenida en la cámara de vacío y los pulsos de luz láser vaporizan el metal creando una nube de átomos. Luego se inyecta una corriente de gas helio muy frío en la cámara. Esto hace que el vapor de niobio se condense en partículas de varios tamaños. La presión del chorro de helio ultrafrío impulsa estas partículas a través de un orificio de salida para que pasen entre dos placas metálicas antes de golpear el detector. A intervalos de un minuto, las placas metálicas se cargan con 15 000 voltios y este fuerte campo eléctrico interactúa con los cúmulos de niobio polarizados, desviándolos del detector.
Aquellos cúmulos que no están polarizados permanecen en el haz de un milímetro de ancho y son contados por el detector. Al comparar las lecturas del detector mientras las placas están energizadas con las lecturas cuando no se aplica ningún campo, los investigadores pueden determinar qué cúmulos se encuentran en un estado dipolar. La producción continua de partículas ha permitido al equipo de investigación de de Heer recopilar datos sobre millones de partículas durante cada experimento. Ajustar la temperatura y el voltaje les permite estudiar el impacto de estas variables en el efecto dipolar.
Temperaturas críticas
Cuando enfriaron sus cúmulos por debajo de 20 K, encontraron que las cargas eléctricas en ellos se desplazaban repentinamente, creando estructuras conocidas como dipolos. "Esto es muy extraño, porque se supone que ningún metal es capaz de hacer esto", explica de Heer. "Estos cúmulos se polarizan espontáneamente, con los electrones moviéndose a un lado del cúmulo sin razón aparente. Un lado de cada cúmulo se carga negativamente, y el otro lado se carga positivamente". Una vez que han adoptado esta postura ferroeléctrica polarizada, los cúmulos de de Heer se fijan en este modo de comportamiento y permanecen así. "Estos cúmulos se polarizan espontáneamente".
La conversión del niobio, y dos de sus congéneres probados hasta ahora, vanadio y tantalio, tiene lugar a una temperatura cercana a la temperatura de transición superconductora de los metales en estado masivo. La convención establece que los metales masivos, e incluso los cúmulos de niobio a temperatura ambiente, contendrán carga eléctrica normalmente distribuida por todo el metal; asumiendo la ausencia de un campo eléctrico aplicado, por supuesto. Pero los materiales llevados a las profundidades menos cálidas de temperatura cercana al cero absoluto tienen la costumbre de abandonar la convención y el equipo de GATech muestra que los cúmulos que contienen hasta 200 átomos de niobio desobedecen esta regla general fácilmente en un acto de ruptura espontánea de la simetría.
“Cuando esto sucede, estas partículas ya no se comportan como si fueran metálicas”, añade de Heer. “Algo transforma las partículas de un metal en otra cosa”. “Originalmente buscábamos evidencia de superconductividad en cúmulos de Niobio usando campos magnéticos”, dijo de Heer a Catalyst, “sin embargo, no encontramos la señal esperada. Cambiamos a mediciones de deflexión eléctrica, que se sabe que proporcionan alguna información sobre las propiedades eléctricas. La fase ferroeléctrica (con los grandes dipolos espontáneos característicos) es una completa sorpresa. En el mejor de los casos, habíamos esperado encontrar un ligero cambio en la polarizabilidad de los cúmulos”.
Estructura vs. dipolo
Los investigadores han descubierto que para los cúmulos más pequeños, la fuerza del efecto dipolar varía drásticamente según el tamaño del cúmulo. Los cúmulos compuestos por 14 átomos, por ejemplo, muestran fuertes efectos, mientras que los formados por 15 átomos muestran poco o ningún efecto. Con un cúmulo que contiene un número par de átomos por encima de 30, el efecto observado es más fuerte que con los cúmulos con números impares de átomos. La estructura de los cúmulos influye mucho en la formación de los dipolos, esa es una conclusión que se puede extraer de la investigación por el momento, dice de Heer. "Un pequeño cambio puede afectar la posición de la transición de fase de forma bastante profunda, y la disposición exacta de los átomos realmente importa a estos sistemas".
Podría ser que la sensibilidad al tamaño dependa de la mecánica cuántica de los cúmulos y de cómo los electrones están restringidos y confinados en sus movimientos en especies tan pequeñas. El hecho de que el efecto se observe cerca del metal de transición superconductor ha proporcionado a de Heer una prueba circunstancial sólida, pero no una prueba sólida, ¡ay!, de que el fenómeno está de alguna manera relacionado con la superconductividad que exhiben estos metales. "La superconductividad en los materiales a granel tiene algo que ver con la producción espontánea de dipolos en las partículas pequeñas". "Nuestra suposición es que la superconductividad en los materiales a granel tiene algo que ver con la producción espontánea de dipolos en las partículas pequeñas", explica.
“En este punto, se trata de evidencia circunstancial: los mismos materiales y el mismo régimen de temperatura, y las extrañas transiciones de fase que ocurren en ambos”. Al no restringir su experimento a un solo tipo de cúmulo metálico, pudieron observar que aquellos metales que exhiben superconductividad en masa también presentan este efecto dipolar, pero los metales no superconductores no lo hacen. “Eso refuerza nuestra creencia de que esto está conectado con la superconductividad de alguna manera que aún no entendemos”, añade de Heer. La ferroelectricidad es relativamente común en los cristales compuestos a granel, explica de Heer. Suele ser el resultado de un desplazamiento espontáneo de una subred iónica de su posición simétrica, lo que da como resultado que la celda unitaria adquiera un dipolo. Esto no se ha observado en materiales a granel de un solo elemento y definitivamente no en metales.
Una nueva fase de la materia metálica
Las propiedades de los cúmulos metálicos a menudo se encuentran en una línea entre el átomo individual y el estado masivo, pero a menudo presentan sorpresas. Las propiedades de polarizabilidad a temperatura ambiente de los cúmulos de niobio se correlacionan aproximadamente con el metal masivo, por lo que los investigadores racionalizan el comportamiento de sus cúmulos como coincidente con las propiedades superconductoras a bajas temperaturas. Era el "candidato obvio", dicen los investigadores. "Esta nueva fase de la materia metálica tendrá, en última instancia, un impacto importante en nuestra comprensión de las correlaciones electrónicas y la superconductividad en el niobio y metales relacionados". Hasta ahora, los investigadores han estudiado en detalle cúmulos de hasta 200 átomos, aunque de Heer cree que el efecto debería continuar en cúmulos más grandes, quizás hasta 500 átomos o hasta 1000.
"Este es solo el comienzo de lo que, en última instancia, será una historia muy emocionante", dijo. "Ciertamente tenemos mucho trabajo por hacer. "Creo que esta nueva fase de la materia metálica tendrá, en última instancia, un impacto importante en nuestra comprensión de las correlaciones electrónicas y la superconductividad en el niobio y metales relacionados", dijo de Heer a Catalyst, "sin embargo, también creo que llevará un tiempo que esa comunidad examine cuidadosamente el efecto, ya que la tendencia puede ser desestimarlo como una propiedad peculiar de un sistema exótico. La historia ha demostrado, sin embargo, que incluso los cúmulos metálicos muy pequeños reflejan con mucha precisión las propiedades masivas incipientes".
Referencia: Ramiro Moro, Xiaoshan XU, Shuangye Yin & Walt A. de Heer.
Ferroelectricity in free niobium clusters. Science 2003, 300(5623):1265?1269.
