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Resumen:
Cuando algunos materiales se enfrían a cierta temperatura, pierden su resistencia eléctrica y se convierten en superconductores.
Investigadores de la UM desentrañan la física de los superconductores de alta temperatura
Ann Arbor, MI | Publicado el 19 de agosto de 2022
En este estado, una carga eléctrica puede fluir a través del material indefinidamente, lo que convierte a los superconductores en un recurso valioso para la transmisión de corriente a gran escala y otras aplicaciones. Los superconductores transportan electricidad entre Long Island y Manhattan. Se utilizan en equipos de imágenes médicas, como máquinas de resonancia magnética, en aceleradores de partículas y en imanes utilizados en trenes de levitación magnética. Incluso materiales inesperados, como ciertos materiales cerámicos, pueden convertirse en superconductores con suficiente enfriamiento.
Pero los científicos aún no han entendido qué sucede en un material para convertirlo en un superconductor. En particular, el funcionamiento de la superconductividad a alta temperatura que se produce en algunos materiales de óxido de cobre no se ha entendido hasta ahora. Una teoría de 1966 que investigaba otro tipo de superconductor postulaba que los electrones que giran en direcciones opuestas se combinan en lo que se conoce como un par de Cooper, lo que permite que la corriente eléctrica fluya libremente a través del material.
Dos estudios dirigidos por la Universidad de Michigan examinaron cómo funciona la superconductividad y encontraron en el primer artículo que aproximadamente el 50 % de la superconductividad se remonta a la teoría de 1966, pero la realidad explorada en el segundo artículo es un poco más complicada. Los estudios, dirigidos por el estudiante de doctorado de la UM Xinyang Dong y el físico de la UM Emanuel Gull, se publicaron en Nature Physics y Proceedings of the National Academy of Science.
Los electrones que flotan en un cristal necesitan algo que los mantenga unidos, dijo Gull. Una vez que unes dos electrones, establecen un estado superconductor. Pero, ¿qué conecta estos electrones? Los electrones generalmente se repelen entre sí, pero la teoría de 1966 sugirió que en un cristal con fuertes efectos cuánticos, los cristales protegen o absorben la repulsión electrón-electrón.
A medida que el cristal absorbe la repulsión de electrones, las propiedades de rotación de los electrones crean una atracción opuesta, lo que hace que los electrones formen pares de Cooper. Esto se debe a la falta de resistencia electrónica. Sin embargo, la teoría no tiene en cuenta los efectos cuánticos complejos en estos cristales.
«Es una teoría muy simple que ha existido durante mucho tiempo. Básicamente fue el mensaje teórico de las décadas de 1980, 1990 y 2000», dijo Gull. «Podrías escribir estas teorías, pero en realidad no podrías calcular nada; si quisieras, tendrías que resolver sistemas cuánticos que tienen muchos grados de libertad. Y ahora mi estudiante de posgrado ha escrito un código que hace precisamente eso”.
Para el artículo, publicado en Nature Physics, Dong exploró esta teoría mediante el uso de supercomputadoras para aplicar lo que se conoce como el método de agrupamiento dinámico a un superconductor basado en óxido de cobre. En este método, los electrones y sus fluctuaciones de espín se calculan juntos, lo que permite a los investigadores analizar cuantitativamente las interacciones entre los electrones y su espín.
Con este fin, Dong estudió las regiones donde el material se convierte en un superconductor y estudió la principal magnitud de la fluctuación del espín, denominada susceptibilidad magnética del espín. Calculó la vulnerabilidad y calculó la región, y junto con Gull y Andrew Mills, físico de la Universidad de Columbia, analizaron la región.
Con esta susceptibilidad al espín, los investigadores pudieron probar la predicción de la teoría simple de la fluctuación del espín. Descubrieron que esta teoría estaba de acuerdo con la actividad de la superconductividad, alrededor del 50%. Esto significa que aproximadamente la mitad de la superconductividad de un material puede explicarse utilizando la teoría de la fluctuación.
«Es un gran resultado porque, por un lado, demostramos que esta teoría funciona, pero también que en realidad no captura todo lo que está sucediendo», dijo Gull. «La pregunta, por supuesto, es qué sucede con la otra mitad, y aquí el marco teórico de la década de 1960 era demasiado simple».
En un artículo publicado en PNAS, Gull y Dong examinaron esta otra mitad. Regresaron para estudiar los sistemas de electrones dentro de un modelo simplificado de un cristal superconductor. En este cristal de óxido de cobre hay capas de enlaces cobre-oxígeno. Los átomos de cobre forman una red cuadrada, y en esta configuración a cada átomo le falta un solo electrón.
Cuando los físicos agregan un elemento como el estroncio al material, que comparte un electrón con la capa de cobre y oxígeno, el material se convierte en conductor. En este caso, el estroncio se denomina átomo dopante. Cuantos más portadores de carga se agregan, más superconductor se vuelve inicialmente el material. Pero si agrega demasiados portadores de carga, la propiedad superconductora desaparece.
Mirando este material, Gull y sus coautores no solo examinaron el giro de los electrones, sino también las fluctuaciones de carga.
Según Gull, las fluctuaciones útiles para comprender el sistema se muestran de dos maneras: en primer lugar, la señal se encuentra en un punto de impulso único y, en segundo lugar, la señal se encuentra en una frecuencia baja. Una excitación de pulso único de baja frecuencia significa que hay una excitación de larga duración que ayuda a los investigadores a ver y describir el sistema.
Los investigadores encontraron que las fluctuaciones antiferromagnéticas, cuando los electrones giran en la dirección opuesta, son responsables de gran parte de la superconductividad. Sin embargo, también vieron fluctuaciones ferromagnéticas que contrarrestaron las fluctuaciones antiferromagnéticas, y finalmente las llevaron de vuelta a la lectura del 50 %.
«Si tienes un sistema complicado de muchos electrones con muchas partículas cuánticas, no hay razón por la que deba haber una imagen simple que lo explique todo», dijo Gull. «De hecho, encontramos, sorprendentemente, que un escenario como el de la teoría de 1966 captura muchas cosas, pero no todo».
Según Gull, los próximos pasos serán ver si sus resultados pueden ayudarlos a predecir tipos específicos de espectros o la luz reflejada contenida en los superconductores. También espera que los resultados permitan a los físicos comprender cómo funcionan los superconductores y utilizar ese conocimiento para diseñar mejores superconductores.
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