Plasmones, correlaciones electrónicas y superconductividad en cupratos y niquelatos

Desde su descubrimiento en 1986, los cupratos superconductores de alta temperatura crítica han sido objeto de intensos estudios. Su elevado valor de temperatura crítica y la coexistencia de múltiples fases interactuantes han revelado un diagrama de fase complejo y universal en todos estos materiales. Sin embargo, los mecanismos que los gobiernan siguen siendo enigmáticos, especialmente debido a sus altas correlaciones electrónicas que desafían las teorías convencionales. En este contexto, entender las excitaciones colectivas de carga, como los plasmones, y las correlaciones electrónicas resulta esencial para el desarrollo de modelos que capturen con precisión su física compleja. Entre las diversas propuestas para estudiar los cupratos, el modelo t-J es uno de los más destacados. Aunque presenta una relativa simplicidad, sus restricciones hacen que no cuente con una solución analítica, lo cual exige técnicas avanzadas para su análisis. En esta tesis se emplea este modelo, ampliado con la interacción coulombiana de largo alcance (el modelo t-J-V ), y se aplica una técnica de teoría cuántica de campos mediante integrales de camino de los operadores de Hubbard y una expansión large-N para analizar excitaciones colectivas de carga y el mecanismo de superconductividad en cupratos y niquelatos, estos últimos con características similares a los cupratos, como superconductividad no convencional. Inicialmente, se estudian las propiedades de los plasmones de tipo acústico en cupratos mediante la comparación de resultados teóricos con datos experimentales de dispersión inelástica y resonante de rayos X (RIXS). Este análisis muestra que los modelos que incluyen las altas correlaciones electrónicas, como el modelo t-J-V , son fundamentales. En cambio, la comparación con un enfoque de correlaciones débiles (la aproximación de fase aleatoria, RPA) arroja que es necesaria la inclusión manual de una masa efectiva m∗ para representar estas correlaciones, cuando el modelo t-J-V las contiene de forma natural. Estos resultados indican que los plasmones de tipo acústico contienen información sobre las correlaciones electrónicas y reflejan directamente la naturaleza de los portadores de carga en estos sistemas altamente correlacionados. Por otra parte, el estudio de los niquelatos superconductores plantea un enfoque comparativo con los cupratos. Se evalúan las propiedades de los plasmones en función de dos regímenes de correlación electrónica contrapuestos: uno análogo a los cupratos, caracterizado por altas correlaciones electrónicas, y otro correspondiente a interacciones débiles, mejor representado por el enfoque de RPA. Se obtienen predicciones que sugieren que los resultados experimentales futuros podrían esclarecer el grado de similitud entre ambos sistemas y aportar nueva información sobre el régimen electrónico en que se encuentran los niquelatos. Finalmente, se explora el rol de los plasmones en el mecanismo de apareamiento que da lugar a la superconductividad en cupratos, evaluando si estas excitaciones colectivas pueden contribuir a la formación de pares de Cooper. Los resultados dentro del modelo t-J-V y la expansión large-N sugieren que, aunque los plasmones son excitaciones colectivas relevantes en estos materiales, su contribución al mecanismo superconductor es apantallada por las altas correlaciones y es la interacción de intercambio de espín la que da origen al acoplamiento efectivo, incluso pese a la presencia de repulsión coulombiana de largo alcance.