Un radiorreceptor para electrones: cómo captar la señal desde el punto crítico cuántico ✛

Sintonizar una radio para captar una estación que cambia de frecuencia al cruzar la frontera entre fases: así puede imaginarse el reto que tenían los investigadores. En el metal YbRh2Si2, los electrones se comportan como partículas "pesadas": su masa efectiva es cientos de veces mayor que la del electrón libre. Por debajo de 70 milikelvin, este material desarrolla un orden magnético que puede destruirse con un campo magnético de apenas 60 militeslas, unas cien veces más débil que el campo de un imán de nevera. Cerca de este punto, llamado crítico cuántico, las propiedades del metal cambian drásticamente, pero la mayoría de los métodos no podían explorar esta región debido a limitaciones técnicas.

Para captar la señal, los científicos crearon resonadores superconductores en forma de meandro, una tira sinuosa sobre un sustrato de zafiro de solo unos pocos milímetros. Funcionan a frecuencias desde 1,5 gigahercios, lo que corresponde a una longitud de onda de unos 20 centímetros, aproximadamente el tamaño de una mano. Gracias a ello, los resonadores pueden enfriarse hasta 40 milikelvin y colocarse en campos magnéticos intensos. Tres resonadores con diferentes frecuencias fundamentales y sus armónicos permitieron cubrir un amplio rango de condiciones, como si el radiorreceptor pudiera sintonizar muchas estaciones a la vez.

Los resultados fueron sorprendentes. En la fase magnética, al enfriar, el factor g aumenta hasta 3,4, y el ancho de línea de la resonancia se incrementa más de diez veces. En el líquido de Fermi paramagnético, el factor g deja de depender de la temperatura, mientras que el ancho de línea crece proporcionalmente al cuadrado de la temperatura, y el coeficiente se correlaciona con la masa efectiva de los electrones. En el régimen crítico cuántico, el factor g varía logarítmicamente, y el ancho de línea disminuye al enfriar, a partir de la temperatura correspondiente a la energía del campo magnético.

La observación más importante: al acercarse al punto crítico cuántico, el factor g disminuye continuamente y tiende a 2. Este valor es característico de los electrones libres, lo que significa que las cuasipartículas "pesadas" desaparecen. La comparación de las dependencias del factor g con la temperatura y con el campo reveló una coincidencia asombrosa tras desplazar el eje de frecuencias en 1,68 gigahercios, lo que corresponde a la resonancia con g=2 y al campo crítico de 60 militeslas. Es como si el radiorreceptor, sintonizado en la estación de los "fermiones pesados", perdiera la señal al cruzar la frontera de fases y empezara a captar la estación de los electrones libres.

Este resultado confirma el concepto teórico de la ruptura de Kondo: en el punto de transición cuántica, los momentos magnéticos locales dejan de ser apantallados por los electrones de conducción, y las cuasipartículas pesadas se descomponen. El método de resonadores superconductores puede aplicarse a otros materiales de fermiones pesados, como β-YbAlB4, para comprobar si el factor g converge a 2 en el propio punto crítico. Así, sintonizar la radio en una estación que cambia de frecuencia permitió escuchar cómo la materia pierde sus partículas habituales en el umbral del cero absoluto.