Aparición y desaparición del pseudogap en el modelo de Emery, perspectivas para los cupratos

Una fase oculta en los superconductores de alta temperatura

Los superconductores de alta temperatura formados por óxidos de cobre son conocidos por transportar corriente eléctrica sin resistencia a temperaturas relativamente elevadas. Pero incluso antes de que empiecen a superconductar, estos materiales atraviesan un estado misterioso llamado pseudogap, en el que algunos estados electrónicos parecen desaparecer. Entender cómo aparece y desaparece esta fase oculta a medida que se ajusta el material es crucial para explicar por qué estos compuestos se comportan de forma tan extraña y para orientar futuras tecnologías que pudieran aprovecharlos.

De aislante eléctrico a buen metal

Los autores estudian un modelo teórico que captura los ingredientes esenciales de las capas de óxido de cobre, donde tanto los átomos de cobre como de oxígeno contribuyen al movimiento de los electrones. En este modelo varían cuántos “huecos” se añaden al sistema, que es la forma estándar en que los experimentalistas ajustan los materiales cupratos reales. Con bajo contenido de huecos, el sistema se comporta como un aislante con una brecha completa en su espectro electrónico, de modo que los electrones no pueden moverse libremente. A medida que se añaden más huecos, el material cambia gradualmente de carácter y finalmente se convierte en un metal convencional donde hay estados electrónicos disponibles alrededor de toda la superficie de Fermi y la carga fluye con facilidad.

La aparición y la forma del pseudogap

Entre los límites aislante y metálico, el modelo entra en el régimen de pseudogap. Aquí, los estados electrónicos de baja energía no se suprimen de manera uniforme. En lugar de eso, desaparecen principalmente cerca de puntos específicos en el espacio de momento llamados antinodos, mientras que se mantienen robustos cerca de los nodos. Este desequilibrio crea arcos de Fermi, segmentos parciales de lo que sería de otro modo una superficie de Fermi continua. Siguiendo cómo cambia el peso espectral en los puntos nodal y antinodal con la temperatura y el contenido de huecos, los autores identifican dos cruces: primero de aislante a pseudogap y luego de pseudogap a metal completo. El pseudogap así “aparece” a partir del estado aislante al añadir huecos, alcanza su forma más pronunciada en dopaciones intermedias y luego “desaparece” cuando el sistema se vuelve metálico.

El magnetismo de corto alcance como fuerza motriz

El estudio también examina cómo evolucionan las fluctuaciones magnéticas a través de estos regímenes. Con bajo contenido de huecos, las correlaciones de espín se extienden a lo largo de muchas separaciones de la red, coherente con un fondo cercano al orden antiferromagnético. En el régimen del pseudogap, sin embargo, las correlaciones magnéticas se vuelven de corto alcance, abarcando solo unos pocos sitios, pero siguen siendo fuertes y conmensurables, con un máximo en el vector de onda asociado a la antiferromagnetismo. Cuando el sistema avanza hacia la fase metálica con mayor contenido de huecos, estas fluctuaciones cambian de carácter y se vuelven inconmensurables, con sus picos desplazándose lejos del patrón antiferromagnético simple. Los autores muestran que son las fluctuaciones de espín dinámicas y de corto alcance en el régimen intermedio las que en gran medida abren el pseudogap de forma selectiva en el espacio de momento.

Conectando la teoría con los experimentos

Cuando las predicciones teóricas se comparan con un amplio conjunto de experimentos en compuestos cupratos bien estudiados, muchas tendencias coinciden. La fotoemisión con resolución angular detecta arcos de Fermi que crecen y luego se reconectan en una superficie de Fermi completa en un rango de dopación muy similar al predicho por el modelo. La dispersión de neutrones y las mediciones Raman revelan correlaciones magnéticas que son de largo alcance cerca del aislante padre, de corto alcance en el régimen del pseudogap y más inconmensurables a mayor contenido de huecos, reflejando las longitudes de correlación teóricas y los patrones de susceptibilidad. Experimentos de resonancia magnética nuclear y magnetometría también muestran una caída característica de la respuesta de espín uniforme en el régimen del pseudogap, seguida de un aumento monótono en el estado metálico más dopado, de nuevo coincidiendo con el comportamiento extraído del modelo.

Qué significa esto para entender los óxidos de cobre

En conjunto, el trabajo demuestra que un modelo realista de tres bandas de orbitales de cobre y oxígeno puede reproducir el arco completo de comportamiento en el estado normal (no superconductante) de los cupratos, desde el aislante pasando por el pseudogap hasta el metálico. El pseudogap aparece como un fenómeno de acoplamiento fuerte ligado a fluctuaciones antiferromagnéticas de corto alcance, no como una transición de fase simple con un límite nítido. Para un lector no especializado, esto significa que la extraña brecha parcial observada en los experimentos es una consecuencia natural de electrones que se influyen fuertemente entre sí en el espacio y en el tiempo dentro de las capas de óxido de cobre. Al capturar estos efectos en un único marco unificado, el estudio acerca a los teóricos a una imagen coherente de cómo funcionan estos materiales complejos.

Cita: Malcolms, M.O., Menke, H., Tseng, YT. et al. Rise and fall of the pseudogap in the Emery model, insights for cuprates. Commun Phys 9, 179 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02685-6

Palabras clave: pseudogap, superconductores de cupratos, fluctuaciones de espín, arcos de Fermi, modelo de Emery