Emparejamiento de electrones - SLAC
MADRID, 21 Ago. (EUROPA PRESS) -
Una característica necesaria en un superconductor, llamada emparejamiento de electrones, ocurre a temperaturas mucho más altas y en un material -un aislante antiferromagnético- inesperados.
Durante el siglo transcurrido desde su descubrimiento, los superconductores y sus misteriosas propiedades atómicas han dejado atónitos a los investigadores. Estos materiales especiales permiten que la electricidad fluya a través de ellos sin ninguna pérdida de energía. Incluso permiten que los trenes leviten.
Pero los superconductores normalmente sólo funcionan a temperaturas extremadamente frías. Cuando estos materiales se calientan, se convierten en conductores ordinarios, que permiten que la electricidad fluya pero con cierta pérdida de energía, o aislantes, que no conducen electricidad en absoluto.
Aunque el material recién investigado no tenía resistencia cero a la conductividad, este hallazgo sugiere que los investigadores podrían encontrar formas de diseñar materiales similares para convertirlos en superconductores que funcionen a temperaturas más altas.
El equipo de investigación del Nacional Accelerator Laboratory SLAC, la Universidad de Stanford y otras instituciones publicó sus resultados en la revista Science.
"Los emparejamientos de electrones nos están diciendo que están listos para ser superconductores, pero algo los detiene", dijo en un comunicado Ke-Jun Xu, estudiante de posgrado en física aplicada de Stanford y coautor del artículo. "Si podemos encontrar un nuevo método para sincronizar los pares, podríamos aplicarlo a la posible construcción de superconductores a temperaturas más altas".
Los investigadores han trabajado arduamente para buscar materiales superconductores que puedan realizar su magia a temperaturas más altas, tal vez incluso a temperatura ambiente algún día. Encontrar o construir un material así podría cambiar la tecnología moderna, desde las computadoras y los teléfonos celulares hasta la red eléctrica y el transporte. Además, el estado cuántico único de los superconductores también los convierte en excelentes bloques de construcción para las computadoras cuánticas.
En el nuevo estudio, los investigadores observaron emparejamientos de electrones en una etapa intermedia, "donde los electrones se habían fijado en los ojos, pero no se levantaban para bailar", según los autores.
Poco después de que se descubrieran los superconductores, los investigadores descubrieron que lo que hacía que los electrones se emparejaban y bailaban eran las vibraciones del propio material subyacente. Este tipo de emparejamiento de electrones ocurre en una clase de materiales conocidos como superconductores convencionales, que se conocen bien, dijo Zhi-Xun Shen, profesor de Stanford e investigador del Instituto Stanford de Materiales y Ciencias de la Energía (SIMES) en SLAC, que supervisó la investigación. Los superconductores convencionales funcionan a temperaturas prácticamente cercanas al cero absoluto, por debajo de los 25 Kelvin, en presión ambiente.
Los superconductores no convencionales, como el material de óxido de cobre, o cuprato, en el estudio actual, funcionan a temperaturas significativamente más altas, a veces hasta 130 Kelvin. En los cupratos, se cree ampliamente que algo más allá de las vibraciones de la red ayuda a emparejar los electrones. Aunque los investigadores no están seguros exactamente de qué hay detrás, el candidato principal son los espinas fluctuantes de los electrones, que hacen que los electrones se emparejen y 'bailen' con un momento angular más alto. Este fenómeno se conoce como canal de ondas, y los primeros indicios de este nuevo estado se observaron en un experimento en SSRL hace unas tres décadas. Comprender qué impulsa el emparejamiento de electrones en los cupratos podría ayudar a diseñar superconductores que funcionen a temperaturas más altas.
En este proyecto, los científicos eligieron una familia de cupratos que no se había estudiado en profundidad porque su temperatura máxima de superconducción era relativamente baja (25 Kelvin) en comparación con otros cupratos. Peor aún, la mayoría de los miembros de esta familia son buenos aislantes. Para ver los detalles atómicos del cuprato, los investigadores proyectaron luz ultravioleta sobre muestras de material, que expulsan electrones del material. Cuando los electrones están unidos, son ligeramente más resistentes a ser expulsados, lo que da como resultado una "brecha de energía". Esta brecha de energía persiste hasta 150 Kelvin, lo que sugiere que los electrones se aparecen a temperaturas mucho más altas que el estado de resistencia cero de aproximadamente 25 Kelvin. El hallazgo más inusual de este estudio es que el aspecto es más fuerte en las muestras más aislantes.
El cuprato en el estudio podría no ser el material para alcanzar la superconductividad a temperatura ambiente, alrededor de 300 Kelvin, dijo Shen. "Pero tal vez en otra familia de materiales superconductores, podemos usar este conocimiento para obtener pistas para acercarnos a la temperatura ambiente", dijo.
"Nuestros hallazgos abren un nuevo camino potencialmente rico hacia adelante", dijo Shen. "Planeamos estudiar esta brecha de apareamiento en el futuro para ayudar a diseñar superconductores utilizando nuevos métodos. Por un lado, planeamos usar enfoques experimentales similares en SSRL para obtener más información sobre este estado de apareamiento incoherente. Por otro lado, queremos encontrar formas de manipular estos materiales para tal vez forzar estos pares incoherentes en sincronización."
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