Un salto cuántico en superconductividad con el emparejamiento de electrones a temperaturas más altas

Los superconductores, conocidos por su capacidad para conducir electricidad sin perder energía e incluso sin levitación magnética, normalmente sólo funcionan a temperaturas muy bajas. Investigaciones recientes han identificado el fenómeno del acoplamiento de electrones, un comportamiento fundamental de los superconductores, en materiales con temperaturas superiores a las esperadas, como los aislantes antiferromagnéticos.

Este descubrimiento realizado por investigadores de SLAC y la Universidad de Stanford puede conducir a nuevas formas de desarrollar superconductores que funcionen cerca de la temperatura ambiente, revolucionando potencialmente la tecnología en muchos campos, incluido Computación cuántica Y transporte.

Explorando el misterio de los superconductores

Durante el último siglo desde su descubrimiento, los superconductores y sus misteriosas propiedades atómicas han dejado a los investigadores asombrados y asombrados. Este material especial permite que la electricidad fluya a través de él sin pérdida de energía. Incluso permite que los trenes se eleven en el aire.

Pero los superconductores normalmente sólo funcionan a temperaturas muy frías. Cuando estos materiales se calientan, se convierten en conductores ordinarios que permiten que la electricidad fluya pero pierden algo de energía, o se convierten en aislantes que no conducen electricidad en absoluto.

Los investigadores han trabajado arduamente en la búsqueda de materiales superconductores que puedan realizar su magia a temperaturas más altas, tal vez incluso a temperatura ambiente algún día. Encontrar o construir tales materiales 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 componentes básicos para las computadoras cuánticas.

Descubrimientos pioneros en SLAC

Ahora, los investigadores han observado que una característica necesaria de un superconductor, llamada acoplamiento de electrones, ocurre a temperaturas mucho más altas de lo que se pensaba anteriormente, y en un material que no se esperaría en absoluto: un aislante antiferromagnético. Aunque el material no tenía resistencia cero, este descubrimiento sugiere que los investigadores pueden encontrar formas de diseñar materiales similares en superconductores que operen a temperaturas más altas. El equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, la Universidad de Stanford y otras instituciones han publicado sus hallazgos. resultados El 15 de agosto en la revista. ciencias.

«Los pares de electrones nos dicen que están listos para convertirse en superconductores, pero algo los detiene», dijo Qijun Xu, estudiante de posgrado en física aplicada en la Universidad de Stanford y coautor del artículo «Si podemos encontrar uno nuevo». «Una manera de sincronizar los pares, podemos aplicarla a la construcción de superconductores con temperaturas más altas».

Sincronización de electrones para lograr la superconductividad.

Durante los últimos 100 años, los investigadores han aprendido mucho sobre cómo funcionan exactamente los superconductores. Sabemos, por ejemplo, que para que un material se convierta en superconductor, los electrones deben emparejarse, y estos pares deben ser coherentes, es decir, su movimiento debe estar sincronizado. Si los electrones están emparejados pero no son coherentes, el material puede terminar siendo un aislante.

En los superconductores, los electrones se comportan como dos personas en una fiesta de baile. Al principio ninguno de los dos quiere bailar con el otro. Pero luego, el DJ pone una canción que les gusta a ambas personas, lo que les permite relajarse. Se dan cuenta de que el otro disfruta de la canción y se sienten atraídos desde lejos: se han unido pero aún no se han unido.

Luego el DJ toca una canción nueva, una que les gusta mucho a ambas personas. De repente, las dos personas se unen y empiezan a bailar. Pronto todos en la fiesta de baile siguen su ejemplo: todos se reúnen y comienzan a bailar la misma nueva melodía. En este punto, el partido se vuelve cohesivo; Está en estado superconductor.

En el nuevo estudio, los investigadores observaron los electrones en una etapa intermedia, donde los electrones se encontraron con sus ojos, pero no pudieron levantarse para bailar.

Las cobras se comportan de forma extraña

Poco después de que se descubrieran por primera vez los superconductores, los investigadores descubrieron que lo que causaba que los electrones se emparejaran y bailaran eran vibraciones en el propio material subyacente. Este tipo de acoplamiento de electrones ocurre en una clase de materiales conocidos como superconductores convencionales, que se comprenden bien, dijo Qi Xun Chen, profesor de Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) en SLAC, quien supervisó la investigación. Los superconductores convencionales funcionan a temperaturas típicamente cercanas a… cero absolutomenos de 25 K, a presión ambiente.

Los superconductores no convencionales, como el óxido de cobre o la cuprita en el estudio actual, funcionan a temperaturas mucho más altas, a veces hasta 130 Kelvin. En el caso de 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 del todo seguros de qué hay detrás de esto, el principal candidato es el espín fluctuante del electrón, que hace que los electrones se acoplen y bailen con un mayor momento angular. Este fenómeno se conoce como canalización de ondas, y los primeros indicios de una condición tan nueva 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 superconductora era relativamente baja (25 K) en comparación con otros cupratos. Peor aún, la mayoría de los miembros de esta familia son buenos aislantes. Para ver los detalles atómicos de los cupratos, los investigadores iluminaron muestras del material con luz ultravioleta, que elimina electrones del material. Cuando los electrones se unen, son ligeramente más resistentes a la repulsión, lo que resulta en una «brecha de energía». Esta brecha de energía persiste hasta 150 K, lo que indica que los electrones se emparejan a temperaturas mucho más altas que el estado de resistencia cero de aproximadamente 25 K. El hallazgo más sorprendente de este estudio es que el acoplamiento es más fuerte en las muestras más aisladas.

Shen dijo que la cuprita del estudio puede no ser el material que alcanza la superconductividad a temperatura ambiente, alrededor de 300 Kelvin. «Pero quizás en otra familia de materiales superconductores podamos utilizar este conocimiento para obtener pistas para acercarnos a la temperatura ambiente», añadió.

«Nuestros hallazgos abren un nuevo camino potencialmente rico a seguir», dijo Shen. «Planeamos estudiar esta brecha de acoplamiento en el futuro para ayudar a diseñar superconductores utilizando nuevos enfoques. Por un lado, planeamos utilizar enfoques experimentales similares en SSRL para ganar». más información sobre el estado de no conjugación «. «Por otro lado, queremos encontrar formas de manipular estos materiales para forzar la sincronización de estos pares sueltos».

Referencia: “Brecha anómala del estado normal en cupratos con adición de electrones” por Qijun Xu, Junfeng He, Su De Chen, Yu He y Sebastian N. Abadi y Costil R. Rotondo, Joven S. Li, Donghui Lu, Chenda Guo, Oskar Tjernberg y Thomas B. Devereux, Dong Hai Li, Makoto Hashimoto y Zhi Xunxin, 15 de agosto de 2024. ciencias.
DOI: 10.1126/ciencia.adk4792

Este proyecto fue apoyado en parte por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. SSRL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.