Un misterioso material desafía las leyes de la física

El arseniuro de boro, un nuevo material semiconductor, actúa exactamente al revés de lo que indican las leyes de la física: a mayor presión, su conductividad térmica o capacidad para conducir el calor disminuye, cuando en realidad debería aumentar. Según los científicos, el hallazgo puede explicarse mediante un fenómeno predicho por la mecánica cuántica y tendría impactos en áreas tan disímiles como la electrónica, los modelos planetarios o el cambio climático.

Un grupo de investigadores liderado por Yongjie Hu, químico e ingeniero mecánico en la Universidad de California en Los Ángeles, en Estados Unidos, ha verificado experimentalmente que al aplicar una presión intensa al arseniuro de boro, un material semiconductor descubierto recientemente, la conductividad térmica disminuye en lugar de incrementarse. El hallazgo, que se desarrolla en un estudio publicado en la revista Nature, desafía la teoría establecida y podría cambiar los modelos actuales de cómo se comportan las sustancias en condiciones extremas.

Un material rebelde y disruptivo

Un principio básico de la física, comprobado en reiteradas ocasiones durante más de un siglo, indica que a medida que aumenta la presión, la conductividad térmica de un material, o sea su capacidad para conducir el calor, también se incrementa en la misma medida, porque los átomos que se comprimen interactúan con mayor intensidad. Sin embargo, Hu y sus colegas sostienen que el arseniuro de boro reacciona de forma opuesta. 

"Ahora que hemos concretado este primer descubrimiento, creemos que este no puede ser el único material con un comportamiento anormal. Si otras sustancias muestran esta propiedad, la comprensión establecida de la conductividad térmica podría no ser correcta", indicó Hu a la revista Scientific American. Los expertos comprobaron que la disminución en la conductividad térmica se origina en la superposición de tipos similares de ondas de calor que se cancelan entre sí, un fenómeno predicho por la mecánica cuántica.

En el marco del experimento, colocaron una pequeña pieza de arseniuro de boro de menos de 100 micrones de espesor en el espacio entre dos diamantes. Aplicaron una presión al conjunto que superó en cientos de veces aquella que puede registrarse en el fondo del océano. Al mismo tiempo, utilizaron óptica ultrarrápida, espectroscopia y rayos X para documentar cómo la conductividad térmica del arseniuro de boro comienza a disminuir, a medida que el calor se propaga a través de la muestra y se somete a esa presión extrema.

Electrónica, modelos planetarios y cambio climático

Para el geofísico de la Universidad de California en Berkeley, Raymond Jeanloz, que no participó en la investigación, “se trata de la primera evidencia experimental obtenida para demostrar que la conductividad térmica se puede ajustar. Esto abre la posibilidad para el desarrollo de tecnologías avanzadas destinadas a optimizar el funcionamiento de dispositivos electrónicos, gracias a la regulación de la conductividad térmica”, destacó el científico estadounidense en el mismo artículo de Scientific American.

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Además, si el mismo fenómeno cuántico se verifica en otros materiales, será imprescindible revisar los modelos establecidos para entornos como el espacio exterior o el interior de los planetas, incluyendo a la Tierra, teniendo en cuenta que en estos ambientes las presiones pueden ser incluso más extremas que en el experimento realizado con el arseniuro de boro. Esto podría alterar al mismo tiempo las predicciones sobre el cambio climático, porque las temperaturas superficiales en la Tierra se ven afectadas por los fenómenos que ocurren en el interior del planeta.

Referencia

Anomalous thermal transport under high pressure in boron arsenide. Yongjie Hu et al. Nature (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05381-x