Los físicos encuentran que el comportamiento de los superconductores a temperaturas que antes se consideraban "imposibles"
Los científicos han observado un nuevo comportamiento inesperado en un material superconductor. Si los físicos pueden descubrir la causa, podría ayudarles a encontrar superconductores a temperatura ambiente.
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Los científicos han descubierto que un proceso clave necesario para que la superconductividad se produzca a temperaturas más altas de lo que se pensaba anteriormente. Podría ser un paso pequeño pero significativo en la búsqueda de uno de los "santos griales" de la física, un superconductor que funcione a temperatura ambiente.
El descubrimiento, realizado dentro del improbable material de un aislante eléctrico, revela que los electrones se emparejan a temperaturas de hasta -190 grados Fahrenheit (menos 123 grados Celsius), uno de los ingredientes secretos del flujo de electricidad casi sin pérdidas en superconductores extremadamente fríos. materiales.
Hasta ahora, los físicos están desconcertados sobre por qué sucede esto. Pero comprenderlo podría ayudarles a encontrar superconductores a temperatura ambiente. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 15 de agosto en la revista Science.
"Los pares de electrones nos dicen que están listos para ser superconductores, pero algo los detiene", afirma el coautor Ke-Jun Xu, estudiante de posgrado en física aplicada en la Universidad de Stanford, dijo en un comunicado. "Si podemos encontrar un nuevo método para sincronizar los pares, podríamos aplicarlo para posiblemente construir superconductores de mayor temperatura".
La superconductividad surge de las ondas que quedan en las estelas de los electrones cuando se mueven a través de un material. A temperaturas suficientemente bajas, estas ondas atraen los núcleos atómicos entre sí, lo que a su vez provoca un ligero desplazamiento de carga que atrae un segundo electrón hacia el primero.
Normalmente, dos cargas negativas deberían repelerse. Pero en lugar de eso, sucede algo extraño: los electrones se unen formando un "par de Cooper".
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Los pares de Cooper siguen reglas de mecánica cuántica diferentes a las de los electrones solitarios. En lugar de apilarse hacia afuera en capas de energía, actúan como partículas de luz, un número infinito de las cuales pueden ocupar el mismo punto en el espacio al mismo tiempo. Si se crean suficientes pares de Cooper en todo un material, se convierten en un superfluido y fluyen sin ninguna pérdida de energía debido a la resistencia eléctrica.
Los primeros superconductores, descubiertos por la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes en 1911, pasaron a este estado de resistividad eléctrica cero a temperaturas inimaginablemente frías, cercanas al cero absoluto (menos 459,67 F o menos 273,15 C). Sin embargo, en 1986, los físicos encontraron un material a base de cobre, llamado cuprato, que se convierte en superconductor a temperaturas mucho más cálidas (pero aún muy frías) -211 F (-135 C).
Los físicos esperaban que este descubrimiento les llevara a encontrar superconductores a temperatura ambiente. Sin embargo, los conocimientos sobre las causas de que los cupratos muestren su comportamiento inusual se desaceleraron y, el año pasado, las afirmaciones virales de superconductores viables a temperatura ambiente terminaron en acusaciones de falsificación de datos y decepción.
Para investigar más a fondo, los científicos detrás de la nueva investigación recurrieron a un cuprato conocido como óxido de neodimio, cerio y cobre. La temperatura superconductora máxima de este material es relativamente baja, -414,67 F (menos 248 C), por lo que los científicos no se han molestado en estudiarlo mucho. Pero cuando los investigadores del estudio iluminaron su superficie con luz ultravioleta, observaron algo extraño.
Por lo general, cuando paquetes de luz, o fotones, chocan contra un cuprato que transporta electrones desapareados, los fotones les dan a los electrones suficiente energía para ser expulsados del material, lo que hace que pierda mucha energía. Pero los electrones de los pares de Cooper pueden resistir su expulsión fotónica, lo que hace que el material pierda sólo un poco de energía.
A pesar de que su estado de resistencia cero ocurre sólo a temperaturas muy bajas, los investigadores descubrieron que la brecha de energía persistía en el nuevo material hasta 150 K, y que el emparejamiento era, curiosamente, el más fuerte en la mayoría de las muestras y mejor para resistir el flujo de energía eléctrica. actual.
Esto significa que, aunque es poco probable que el cuprato alcance la superconductividad a temperatura ambiente, podría contener algunas pistas para encontrar un material que pueda hacerlo.
"Nuestros hallazgos abren un nuevo camino potencialmente rico a seguir. Planeamos estudiar esta brecha de emparejamiento en el futuro para ayudar a diseñar superconductores usando nuevos métodos", dijo el autor principal Zhi-Xun Shen, profesor de física en Stanford. , dijo en el comunicado. "Por un lado, planeamos utilizar enfoques experimentales similares para obtener más información sobre este estado de emparejamiento incoherente. Por otro lado, queremos encontrar formas de manipular estos materiales para tal vez obligar a estos pares incoherentes a sincronizarse".