Diseñan un método estadístico para dilucidar la naturaleza del desorden en sistemas interactuantes

Los investigadores del CONICET Yanina Fasano y Alejandro Kolton, del Instituto de Nanociencia y Nanotecología (INN, CONICET-CNEA) y de la Gerencia de Física de la Comisión Nacional de Energía Atómica, lideraron el desarrollo de un método estadístico que permite discernir el tipo de desorden que gobierna las propiedades físicas de sistemas de materia condensada con componentes interactuantes. La investigación fue publicada en la revista Nature Scientific Reports.

“Nuestro estudio revela una forma prometedora de observar y comprender diferentes sistemas de materia condensada nucleados en medios imperfectos. Como el desorden es más la regla que la excepción, creemos firmemente que la aplicación de este método se puede extender fácilmente a una amplia gama de sistemas en los que distinguir la naturaleza del desorden es crucial para sus aplicaciones”, explican los investigadores, que además son docentes del Instituto Balseiro.

Fasano y Kolton tienen una larga trayectoria de colaboración experimental-teórica en el estudio de propiedades físicas de sistemas de materia blanda, particularmente alrededor de los vórtices en materiales superconductores. Desde hace años se dedican a discutir el resultado de experimentos y simulaciones en sistemas elásticos en presencia de desorden, siempre poniendo el foco en cómo el desorden puede cambiar de forma drástica las propiedades de un material y así determinar sus aplicaciones. En este estudio, trabajaron junto a un grupo de estudiantes que realizan o realizaron sus trabajos doctorales en el Laboratorio de Bajas Temperaturas y el Grupo de Teoría del Sólido del Centro Atómico Bariloche, como así también con investigadores del Laboratorio de Bajas Temperaturas y de la Ecole Polytechnique de Francia.

Pero, ¿qué es el desorden al que se refieren? “El desorden –explica Fasano- afecta las propiedades físicas de innumerables sistemas y, a menudo, lo hace de una manera bastante drástica. Un desorden incluso débil puede dar lugar a una rica fenomenología de nuevas fases estructurales, transiciones de fase y propiedades dinámicas”.

En tal sentido, continúa, “en el laboratorio, las muestras perfectas no existen ya que en el proceso de crecimiento y manipulación de las mismas se introducen imperfecciones inexorablemente. El desorden que nosotros estudiamos se refiere al hecho de que los materiales no son perfectos: presentan inhomogeneidades e imperfecciones en su esctructura cristalina. Estas imperfecciones afectan las propiedades físicas (electrónicas, magnéticas) de los materiales a escala local, y en algunos casos, en escalas del tamaño de las muestras”.

Tal como explican los investigadores, la naturaleza del desorden determina fuertemente algunas propiedades que son cruciales para apuntar a posibles aplicaciones tecnológicas. Algunos ejemplos sobre la relevancia de diferentes tipos de desorden se pueden encontrar en frentes de grietas en materiales heterogéneos, líneas de contacto de meniscos líquidos, invasión de fluidos en medios aleatorios y crecimiento tumoral. “Sin embargo, no se suele tener acceso directo o fácil para caracterizar la naturaleza del desorden. En general, sólo es posible acceder a una instantánea de la respuesta complicada a la heterogeneidad subyacente del medio en el que interactúan los objetos elásticos que estudiamos”, advierte Fasano.

Motivados por este problema, el equipo de Fasano y Kolton abordó el desafío de inferir la naturaleza del desorden en las muestras huésped del sistema elástico, mediante la observación y el análisis de instantáneas. Para ello, utilizaron “la versatilidad de la materia de vórtices nucleada en un superconductor paradigmático de tipo II como un caso de estudio e investigamos el problema en muestras compuestas por una gran cantidad de objetos interactuantes”.

¿Qué es la materia de vórtices? “Los vórtices en materiales superconductores son tubos de flujo magnético cuantizado que atraviesan a la muestra superconductora, como spaghettis, donde el campo magnético tiene un valor no nulo, mientras que en el resto del material superconductor el campo magnético es nulo”, explica Fasano.

“Lo más importante para nuestro estudio –continúa Fasano-, que puede ser extendido para otros objetos elásticos que se nuclean en materia blanda, es que es un sistema ´modelo´ con el que se puede ´jugar´ en el laboratorio para emular a todos esos otros sistemas como burbujas magnéticas, esferas duras, entre otras”.

En este estudio puntual, las herramientas que utilizaron para “jugar” en el laboratorio fueron: la temperatura (al cambiarla se alteran las escalas de energías relevantes en el sistema); el campo magnético (al cambiarlo se ajusta la densidad de objetos elásticos-vórtices- pudiendo estudiarse sistemas muy diluidos a bajos campos a muy concentrados a altos campos); y el desorden presente en las muestras que son huéspedes de los objetos elásticos (puede ser débil, fuerte, puntual, correlacionado tipo fideo, correlacionado tipo plano, distribuido al azar, distribuido en sitios periodicos, u otras).

“Estudiamos muestras que presentan distintos ´paisajes´ de desorden en el mismo tipo de muestras que fueron introducidos, por diversos métodos, mediante los que ´atacamos´ a las muestras para generar defectos cristalinos más o menos extendidos y organizados o desorganizados en su distribución espacial”, explica Fasano.

El trabajo muestra que en la materia de vórtices “la ocurrencia de eventos raros en la distribución espacial de las fuerzas de interacción vórtice-vórtice puede estar directamente relacionada con que el desorden subyacente sea fuerte y correlacionado. Esta es la base del método estadístico que propusimos para discernir el tipo de desorden presente en una muestra”, concluye Fasano.