Viernes, 26 de mayo de 2017

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Nuevos experimentos contra viejas creencias de Física


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La modelización es en Física el modo usual para describir nuevos fenómenos. Generalmente, los modelos se basan en modelos previos que fueron capaces de explicar cierta fenomenología. Sin embargo, este método puede conducir a conclusiones erróneas cuando no se tienen en cuenta suficientemente las limitaciones del modelo inicial.

Esto es lo que parece que ha ocurrido con la descripción del estado electrónico en los óxidos de metales de transición siguiendo el modelo iónico. Se acepta de manera bastante general que el estado electrónico de los metales de transición en sus óxidos se puede describir como iónico, por ejemplo el óxido de hierro FeO se describiría como Fe 2+O 2-. Esta modelización ha sido muy útil sin embargo es excesivamente simplista ya que en muchos casos ha dado lugar a interpretaciones erróneas.

Caso clásico de la magnetita

En el caso de los llamados óxidos de valencia mixta no se puede asignar formalmente una valencia entera para cada átomo. El caso clásico es la magnetita (piedra imán), el primer material magnético que el hombre observó en la naturaleza, experimentó con él y usó tecnológicamente. En este óxido (Fe3O ), la valencia de cada átomo de hierro sería 2.66 aunque formalmente se describe como Fe 3+ (Fe 3+, Fe 2+)O 2-4. La interpretación para este tipo de óxidos de valencia mixta es que el electrón extra está localizado espacialmente en la red cristalina o se encuentra localizado temporalmente de forma que aunque saltaría entre diferentes átomos, el tiempo de estancia en cada sitio sería muy grande comparado con el tiempo de salto.

Esta explicación es la que se propuso hace más de 60 años para justificar el comportamiento eléctrico de la magnetita. Este material a temperaturas mayores de 120 K (unos 150º bajo cero) es un conductor eléctrico y por debajo de esta temperatura es un aislante. La explicación dada por Verwey (1939), transición de fase que desde entonces ha tomado su nombre, consiste en que por encima de esta temperatura el electrón está localizado temporalmente, pero puede saltar de una posición a otra permitiendo la conducción eléctrica y por debajo, está localizado espacialmente de forma periódica en la red originando lo que se llama ordenamiento de carga. Es obvio que esta localización espacial impide el movimiento de cargas y en consecuencia el material es un aislante.

Investigación en el Laboratorio europeo de radiación de sincrotrón

La investigación de la localización electrónica en óxidos de metales de transición surgió en el grupo CAMRADS en el curso de la investigación de otros óxidos de valencia mixta, las manganitas. Estos materiales son de gran interés tecnológico por sus propiedades magnetorresistivas. Para ellos, al igual que para la magnetita, se propuso también el llamado ordenamiento de carga de iones Mn 3+ y Mn 4+ para explicar las propiedades magnéticas y de transporte. Nuestro objetivo fue tratar de determinar cual era dicho ordenamiento de carga. Los materiales objeto de estudio incluyeron además de las manganitas, la magnetita como óxido arquetípico de esta fenomenología. Las técnicas experimentales usadas fueron la absorción de rayos X, en la que el grupo tiene dilatada experiencia y la dispersión resonante de rayos X, técnica nueva en la que hemos sido también pioneros. Estos experimentos sólo se pueden realizar en laboratorios de radiación de sincrotrón, o sea en grandes instalaciones supranacionales.

 En nuestro caso concreto realizamos lo experimentos en el sincrotrón europeo de tercera generación de Grenoble (Francia), European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), del que España es socio fundador (con un 4 % de participación) y nuestro grupo tiene una presencia muy activa desde su puesta en funcionamiento en 1994.

La ventaja de estas técnicas microscópicas reside en la sensibilidad que tienen al estado electrónico de los átomos, y en particular la dispersión resonante permite determinar la periodicidad de la carga en materiales cristalinos.

Los resultados obtenidos 2 han sido y están siendo motivo de polémica 3 ya que muestran de manera evidente que la descripción de las denominadas fases de ordenamiento de carga en términos de ordenamiento iónico están bastante lejos de la realidad. En particular, en el caso de la magnetita es muy difícil definir siquiera una ligera desproporción de carga, entendiendo por ello una fracción de un solo electrón.

Teoría de Verwey

Queremos hacer notar que esta creencia esta muy asumida por los científicos, la explicación de Verwey de la magnetita se encuentra en los libros de texto de Física del Estado Sólido. Mucho más importante es que esta creencia ha dado lugar al desarrollo de teorías basadas en la veracidad del modelo iónico tales como la teoría de Mott de las transiciones de fase metal-aislante. Pensamos que estos nuevos experimentos deben llevar a que los conceptos desarrollados basados en estas viejas creencias se revisen, si realmente se quiere obtener explicaciones a los fenómenos físicos observados acordes con la realidad.

Evidentemente cambiar de modo de pensar es una tarea ardua que llevará algún tiempo pero que en nuestra opinión permitirá acometer la comprensión de muchos fenómenos, todavía no bien explicados (tales como quizás, la superconductividad de alta temperatura) al poderse abordar desde una nueva perspectiva.

Referencias bibliográficas

 1) E. J. W. Verwey, Nature 144, 327, (1939).

 2)-García J., G. Subías, M.G. Proietti, H. Renevier, Y. Joly, J.L. Hodeau, J. Blasco, M.C. Sánchez and J.F. Berar. Phys. Rev. Lett. 85, 578 (2000)

 -García J., G. Subias, M.G. Proietti, J. Blasco, H. Renevier, J.L. Hodeau and Y. Joly. Phys. Rev. B, 63, 054110-1/054110-6 (2001)

 -García J. and G. Subias. J.Phys. Condens. Matter 16, R145-178 (2004)

 -Herrero-Martín J., J. García, G. Subías, J. Blasco and M.C. Sánchez. Phys. Rev. B 70, 024408, (2004)

 -Subías G., J. García, J. Blasco, M.G. Proietti, H. Renevier and M.C. Sánchez. Phys. Rev. Lett., en prensa (2004).

 3) J.M.D. Coey, Nature 430, 155 (2004)

Composición del Grupo CAMRADS

  • Joaquin García Ruiz Profesor de Investigación del CSIC Fernando Bartolomé Usieto Científico Titular del CSIC
  • Javier Blasco Carral Científico Titular del CSIC
  • Jesús Chaboy Nalda Científico Titular del CSIC
  • Luis Miguel García Vinuesa Profesor Titular de la Universidad de Zaragoza
  • Maria Grazia Proietti Cecconi Profesor Titular de la Universidad de Zaragoza
  • Maria Concepción Sánchez Sierra Técnico Superior de la Universidad de Zaragoza
  • Gloria Subías Peruga Investigadora Ramón y Cajal
  • Julia Herrero Albillos Becaria predoctoral
  • Javier HerreroMartín Becaria predoctoral
  • María Angeles Laguna Marco Becaria predoctoral
  • Miguel Angel Gil Andaluz Técnico contratado

Fecha Aragón Investiga: 29/09/2004


Ficheros adjuntos


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