En una aparente contradicción con la física de los libros de texto, se ha identificado un metal que conduce electricidad pero casi no produce calor en el proceso. Se puede esperar que ocurra una propiedad tan extraña en conductores que operan a temperaturas criogénicas, pero un equipo de investigadores dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley afirma haber descubierto esta propiedad única en dióxido de vanadio a temperaturas de alrededor de 67 ° C (153 ° F) .
De todos los metales encontrados en la Tierra, la mayoría son buenos conductores de calor y electricidad. Esto se debe a que la física clásica dicta que sus electrones son responsables tanto del movimiento de la corriente eléctrica como de la transferencia de calor. Esta correlación entre la conductividad eléctrica y térmica está dictada por la Ley Wiedemann-Franz, que básicamente dice que los metales que conducen bien la electricidad también son buenos conductores de calor.
Sin embargo, el dióxido de vanadio metálico (VO2) parece ser diferente. Cuando los investigadores pasaron una corriente eléctrica a través de varillas a nanoescala de VO2 monocristalino y se midió la conductividad térmica, el calor producido por el movimiento de electrones fue en realidad diez veces menor que el predicho por los cálculos de la Ley Wiedemann-Franz.
“Este fue un hallazgo totalmente inesperado”, dijo el profesor Junqiao Wu, físico de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley. “Muestra un desglose drástico de una ley de libros de texto que se sabe que es robusta para los conductores convencionales. Este descubrimiento es de fundamental importancia para comprender el comportamiento electrónico básico de los nuevos conductores”.
Y qué conductor nuevo VO2 es. Cuando se calienta a 67 ° C (153 ° F), el dióxido de vanadio sufre una transición abrupta de un aislador a un conductor, ya que su estructura cristalina se transforma. Esta alineación estructural del VO2 en un metal proporciona pistas sobre por qué el material puede transferir corriente eléctrica con un calentamiento despreciable
A nivel de nanoescala, los modelos clásicos para la conducción de calor comienzan a fallar. Como resultado, otras teorías utilizadas en semiconductores, aislantes y materiales transitorios como el VO2, se usan cuando el calor se transmite principalmente por vibraciones en la red cristalina conocidas como fonones (originalmente del griego antiguo, phonos, que significa “sonido”). pero generalmente se refiere a cualquier onda de compresión de nivel cuántico).
A temperaturas normales, ondas de fonones que viajan a través de los metales pueden interferir con la capacidad de los electrones para pasar libremente a través de la estructura, porque los fonones hacen que los átomos salgan de su estado de equilibrio, lo que los convierte en obstáculos. Por el contrario, a temperaturas ultrabajas, las ondas vibratorias de los fonones están severamente restringidas ya que los átomos están casi “congelados” en inmovilidad.
Esto permite el libre flujo de electrones casi sin aumento de temperatura, ya que los electrones están libres de impedimentos para que no choquen entre sí y pierdan energía. Esta es la razón por la cual muchos metales se convierten en “superconductores” a temperaturas criogénicas.
Sin embargo, cuando el dióxido de vanadio está pasando de un aislador a un conductor, también muestra una liberación de energía térmica notablemente baja, lo que indica que los electrones en el material pueden fluir libremente para producir una corriente, pero sin los impedimentos para su movimiento encontrados en metales comunes que producen calor residual Como resultado de la interpretación de resultados de simulaciones por computadora, mucho modelado matemático y la observación de pruebas de dispersión de rayos X, los investigadores creen que esto se debe a que el VO2 en su fase de transición puede verse como un líquido llamado “no Fermi”. “
