El área de Electrones Fuertemente Correlacionados pertenece a un campo mucho más amplio de la Física denominada Materia Condensada, en el cual se estudia la materia en su estado sólido. En el área de Electrones Fuertemente Correlacionados se estudian los nuevos estados de materia que surgen cuando un conjunto macroscópico de moléculas, átomos o electrones están en interacción. Mientras a escala microscópica se conoce muy bien el comportamiento individual de estos componentes, a través de la ecuación de Schrodinger y las leyes de la mecánica cuántica; a escala macroscópica la interacción mutua entre los componentes generan estados de la materia con propiedades colectivas gobernadas por nuevos principios de organización, dando origen a los denominados materiales cuánticos. Esto puede resumirse en la frase "Más es diferente", título de un artículo de Phillip Anderson que es esencial para entender el concepto [descargar pdf].

El entendimiento de los nuevos estados de la materia que surgen de las fuertes interacciones entre electrones requiere un vínculo muy estrecho entre experimentos, nuevos conceptos y nuevas matemáticas, siendo todos estos centrales para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos con diversas funcionalidades, entre ellas, la computación cuántica.

Entre los principios organizadores que investigamos en el área de electrones fuertemente correlacionados se encuentran

• el proceso de ruptura espontánea de simetría, que gobierna al Magnetismo, la Superfluidez y la Superconductividad.

• el efecto Kondo, que gobierna los fenómenos de impurezas en metales y fermiones pesados, y es importante para el entendimiento de sistemas nanoscópicos, como los puntos cuánticos.

• el entrelazamiento cuántico, que da lugar a novedosos estados topológicos de la materia como el efecto Hall fraccionario y los líquidos de espines cuánticos.

La consideración de fuertes interacciones entre electrones hace que la resolución matemática de estos sistemas se vuelva extremadamente compleja, son sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Para tratarlos se recurre a modelos simplificados que contienen los que se consideran grados de libertad esenciales para entender los comportamientos colectivos de los sistemas. Algunos de los modelos paradigmáticos que estudiamos son: modelos de Heisenberg, de Hubbard, t-J y de Anderson. Para la resolución de estos modelos utilizamos diversas estrategias: tratamientos numéricos exactos que requieren un uso intensivo de herramientas computacionales, aproximaciones analíticas tomadas de la teoría de campos, aproximaciones perturbativas y diagramáticas, entre otras.

Dentro del Departamento se estudian distintos fenómenos cuánticos colectivos: magnetismo, superconductividad, estados topológicos, aislantes de Mott, efecto Kondo, entre otros. A continuación algunas de las líneas que se desarrollan.

Superconductividad

El interés de esta linea de trabajo se centra en las propiedades de los superconductores no convencionales:

• Propiedades superconductoras y la fase de pseudogap de los cupratos superconductores de alta temperatura crítica. Los cupratos pueden considerarse como aislantes de Mott antiferromagnéticos a los cuales se los dopa con electrones o con agujeros. La comprensión de estos materiales se encuentra en las propiedades electrónicas de sus planos CuO2, donde los átomos de Cu forman una red cuadrada. Los modelos más simples que pueden describir la física de estos planos son el modelo t-J y el de Hubbard en la red cuadrada.

• Estudios computacionales en sistemas de electrones fuertemente correlacionados: superconductividad en compuestos de hierro.

Participantes: Dr. Andrés Greco, Dr. Matías Bejas, Lic. Luciano Zinni más colaboradores del exterior.

Magnetismo cuántico

Nuestro objetivo general es el estudio de las propiedades magnéticas y electrónicas de aislantes de Mott sin dopar y dopados, especialmente en presencia de frustración magnética. El fenómeno de frustración ocurre cuando no es posible minimizar simultáneamente la energía de interacción entre todos los pares de componentes del sistema. Uno de nuestros intereses centrales es el entendimiento de aquellos estados cuánticos de la materia que no pueden ser descriptos mediante los paradigmas convencionales tales como la teoría de líquido de Fermi o la teoría de ondas de espín. Estos estados cuánticos se manifiestan, por ejemplo, a través de la ausencia de ordenamiento magnético a las temperaturas más bajas y la presencia de excitaciones magnéticas no convencionales (contínuo de excitaciones, rotones) en los experimentos de dispersión inelástica de neutrones. Un escenario propuesto para describir estos fenómenos es la estabilización de estados cuánticos con excitaciones fraccionarias: los grados de libertad convencionales se "fraccionan". Dicho fenómeno de fraccionalización ha sido observado y muy bien descripto teóricamente en el contexto del efecto Hall cuántico fraccionario; mientras que en los aisladores de Mott dopados y frustrados todavía no se ha encontrado evidencia directa de fraccionalización (2D), ni teórica ni experimental.

Otro de nuestros intereses es entender cómo evolucionan las propiedades magnéticas y electrónicas cuando los aislantes de Mott son dopados, algo que ocurre, por ejemplo, en los cupratos superconductores. Este tipo de estudios permite analizar experimentos de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) y de dispersión inelástica de neutrones a luz de los modelos simplificados, y lograr entender "cómo se mueven los electrones" y "cómo fluctúan los espines".

Participantes: Dr. Claudio Gazza, Dr. Ignacio Hamad, Dr. Luis Manuel, Dr. Adolfo Trumper, Dr. Germán Blesio, Dr. Esteban Ghioldi, Dr. Franco Lisandrini, Dr. Matías González más colaboradores del exterior.

Física de Kondo

El efecto Kondo, originalmente introducido en los años 1960's, continúa representando hoy en día un paradigma de sistemas correlacionados y ocurre cuando un momento magnético es "apantallado" (forma un singlete) por electrones de conducción. Su fenomenología está presente en una amplia gama de sistemas físicos, en particular sistemas nanoscópicos tales como puntos cuánticos, nanocontactos atómicos, átomos de elementos de transición o moléculas organometálicas en superficies metálicas. Una de las características más interesante de los nanosistemas es que son sistemas modelos en los cuales, ajustando finamente sus parámetros, se logran situaciones fuera de alcance de los sistemas extendidos. Uno de los objetivos centrales de la física nanoscópica es la determinación de las huellas de los efectos de muchos cuerpos en las propiedades de transporte. Así, las conductancias lineal y diferencial tienen dependencias en frecuencia y temperatura gobernadas por la estructura electrónica del punto cuántico; según sea la configuración del sistema se observan comportamientos convencionales de líquido de Fermi o comportamientos exóticos que se apartan del paradigma, como ocurre en el caso del efecto Kondo de dos canales.

Participantes: Dr. Claudio Gazza, Dr. Ignacio Hamad, Dr. Luis Manuel, Dr. Germán Blesio, Dr. Franco Lisandrini, Dr. Armando Aligia (Bariloche), Dr. Pablo Roura-Bas (Bariloche), Dr. Alejandro Lobos (Mendoza) más colaboradores del exterior.

Estados topológicos en bajas dimensiones

El primer ejemplo conocido de un estado cuántico que es topológicamente distinto de todos los estados de la materia conocidos, y cuyo estudio ha llevado a la noción de orden topológico, corresponde al estado de Hall cuántico. En éste, el interior de la muestra es un aislante y la corriente eléctrica es transportada solamente en el borde. El flujo uni-direccional de esta corriente evita la disipación y da lugar a la cuantización de la conductancia Hall. La introducción del concepto de invariante topológico permitió explicar el valor preciso de dicha cuantización. Los recientemente descubiertos aislantes topológicos [M. Z. Hasan & C. L. Kane. Reviews of Modern Physics, 82, 3045 (2010)] son otro ejemplo de sistemas pertenecientes a este nuevo estado de la materia: poseen un comportamiento aislante (gap de energía finito) en el interior y estados de gap nulo, metálicos, en la superficie o borde. Estos estados de borde están protegidos por la simetría de inversión temporal y poseen propiedades especiales que los harían útiles para aplicaciones tales como la espintrónica y la computación cuántica. Un aspecto que no está del todo claro en estos materiales es el efecto de la interacción entre electrones sobre las propiedades topológicas, como por ejemplo, la estabilidad de los estados de borde. Nos proponemos el estudio y la caracterización teórica, mediante la técnica de DMRG, de sistemas de aislantes topológicos afectados por la correlación fuerte.

Participantes: Dr. Claudio Gazza, Dr. Ignacio Hamad, Dr. Franco Lisandrini, Dr. Luis Manuel, Dr. Ariel Dobry, Dr. Alejandro Lobos (Mendoza).

Metales incoherentes

Las propiedades de transporte de un amplio rango de materiales de electrones fuertemente correlacionados exhiben ciertas propiedades electrónicas en común que son claramente diferentes de las de los metales elementales. En la fase metálica, tienen propiedades consistentes con el líquido de Fermi para metales convencionales, pero sólo debajo de una pequeña escala de energía definida como la temperatura de coherencia Tcoh del líquido de Fermi (a menudo en el rango 10-100 K). Esta escala de temperatura baja señala la ruptura de la imagen de líquido de Fermi y es órdenes de magnitud menor que TF, la temperatura de Fermi asociada con la estructura de bandas de los electrones sin correlación. Arriba de Tcoh las cuasipartículas dejan de existir y el material se conoce como bad metal o metal incoherente.

Participantes: Dr. Luis Manuel, Dr. Alejandro Mezio