Los físicos descubren un comportamiento superconductor a temperaturas que antes se consideraban «imposibles»
Los científicos han descubierto un proceso clave necesario para superconductividad ocurriendo 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 el emparejamiento de electrones a temperaturas tan bajas como -190 grados Fahrenheit (-123 grados Celsius), uno de los ingredientes secretos para el flujo de electricidad casi sin pérdidas en materiales superconductores extremadamente fríos. .
Hasta ahora, los físicos no saben por qué sucede esto. Pero entender esto podría ayudarles a encontrar superconductores a temperatura ambiente. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 15 de agosto en la revista. Ciencia.
«Los pares de electrones nos dicen que están listos para convertirse en superconductores, pero algo los detiene», afirma el coautor. Ke Jun Xuestudiante 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 a la posible construcción de 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 cambio de carga que atrae un segundo electrón hacia el primero.
Normalmente, dos cargas negativas deberían repelerse. Pero en cambio sucede algo extraño: los electrones se juntan formando un «par de Cooper».
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Los pares de Cooper siguen siendo diferentes mecánica cuántica reglas que las de los electrones solitarios. En lugar de acumularse 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 el material, se convierten en un superfluido que fluye 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 bajas, cercanas a 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 una temperatura mucho más alta (pero aún muy fría) de menos 211 F (menos 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 han disminuido, y el año pasado las afirmaciones virales sobre 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 cobre, neodimio y cerio. 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.
Generalmente, cuando paquetes de luz, o fotones, golpean 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 eyección fotónica, lo que hace que el material pierda sólo un poco de energía.
Aunque su estado de resistencia cero sólo ocurre a temperaturas muy bajas, los investigadores encontraron que la brecha de energía persistió en el nuevo material hasta 150 K, y que el emparejamiento fue, curiosamente, el más fuerte en la mayoría de las muestras que resistieron mejor el flujo. de corriente eléctrica.
Esto significa que, si bien es poco probable que el cuprato alcance la superconductividad a temperatura ambiente, puede contener algunas pistas para encontrar un material que pueda lograrlo.
«Nuestros hallazgos abren una nueva vía potencialmente rica para el futuro. Planeamos estudiar esta brecha de emparejamiento en el futuro para ayudar a diseñar superconductores usando nuevos métodos», dijo en el comunicado el autor principal Zhi-Xun Shen, profesor de física en Stanford. . «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 emparejamientos incoherentes a sincronizarse».
