El «santo grial» del descubrimiento en la ciencia de la superconductividad es la superconductividad cuando los electrones pueden atravesar una sustancia sin resistencia. Sin embargo, incluso los llamados superconductores de «alta temperatura» deben mantenerse extremadamente fríos para funcionar, lo que es demasiado frío para la mayoría de los usos.
Los superconductores son materiales extremadamente complicados con estados magnéticos y electrónicos entrelazados y ocasionalmente en competencia, por lo que los científicos aún tienen mucho que comprender antes de que se pueda realizar la superconductividad a temperatura ambiente. Uno de esos estados es un estado superconductor distinto de la materia llamado onda de densidad de pares (PDW), caracterizado por pares acoplados de electrones en movimiento.
Se asumió que los PDW solo ocurren cuando un superconductor está expuesto a un fuerte campo magnético. Sin embargo, un nuevo trabajo del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón, la Universidad de Columbia y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. ha visto directamente un PDW en un material superconductor a base de hierro sin campo magnético.
Kazuhiro Fujita, un físico de Brookhaven que participó en el estudio, dijo: “Los investigadores en nuestro campo han teorizado que un PDW podría existir de forma independiente, pero la evidencia ha sido mixta. Este superconductor a base de hierro es el primer material donde la evidencia apunta a un campo magnético cero PDW. Este es un resultado emocionante que abre posibles nuevas vías de investigación y descubrimiento para la superconductividad”.
El pnictide de hierro EuRbFe4As4 (Eu-1144) se destaca por poseer naturalmente ferromagnetismo y superconductividad. El grupo se sintió inicialmente atraído por el material y se inspiró para investigarlo debido a esta notable personalidad dividida.
Cuando apareció el magnetismo por primera vez, se encontró superconductividad modulada espacialmente. En el laboratorio de vibraciones ultrabajas de Brookhaven, los científicos utilizaron un microscopio de túnel de exploración de imágenes espectroscópicas (SI-STM) de última generación para estudiar el Eu-1144.
El físico Abhay Pasupathy, uno de los coautores del artículo afiliado a Brookhaven y Columbia, dijo: “Queríamos ver si este magnetismo está relacionado con la superconductividad. En general, los superconductores se desestabilizan por el orden magnético, por lo que cuando la superconductividad y el magnetismo existen juntos en un solo compuesto, es interesante ver cómo coexisten. Es concebible que los dos fenómenos existan en diferentes partes del complejo y no tengan nada que ver entre sí. Pero en cambio, encontramos que hay una hermosa conexión entre los dos”.
El investigador dijo, “Este microscopio mide cuántos electrones en una ubicación específica en el ‘túnel’ de material se mueven hacia adelante y hacia atrás entre la superficie de la muestra y la punta SI-STM a medida que varía el voltaje entre la punta y la superficie; estas medidas nos permiten crear un mapa de la red cristalina de la muestra y la cantidad de electrones a diferentes energías en cada ubicación atómica”.
Las pruebas indicaron una brecha en el espectro de energías de los electrones por debajo de la temperatura superconductora crucial de la muestra. Este es un marcador significativo ya que su tamaño es proporcional a la energía requerida para dividir los pares de electrones que transportan la corriente superconductora.
Las energías de enlace de los electrones varían y oscilan entre un mínimo y un máximo, como lo muestran las variaciones del intervalo. Estos cambios en la brecha de energía son la firma clara de un PDW.
La replicación de este fenómeno en diferentes materiales es una nueva área hacia la que este descubrimiento apunta a los investigadores. Se pueden investigar más preguntas relacionadas con PDW, como tratar de inferir la movilidad de los pares de electrones a partir de las firmas que aparecen en otras características del material.
Muchos de los miembros del grupo de investigación expresaron un interés activo en su estudio. Ya están planificando varios experimentos utilizando rayos X y muones en esta sustancia.
Referencia de la revista:
- Zhao, H., Blackwell, R., Thinel, M., et al. Orden de par de densidad de onda esméctica en EuRbFe4As4. Naturaleza. DUELE: 10.1038/s41586-023-06103-7
