Newswise – UPTON, NY – En el campo de la superconductividad, el fenómeno en el que los electrones pueden fluir a través de un material con una resistencia esencialmente cero, el «santo grial» del descubrimiento es un superconductor que puede funcionar bajo las temperaturas y presiones cotidianas. Tal material podría revolucionar la vida moderna. Pero actualmente, incluso «alta temperatura» (high-Tw) los superconductores que se han descubierto deben mantenerse muy fríos para que funcionen, demasiado fríos para la mayoría de las aplicaciones.
Los científicos todavía tienen mucho que aprender antes de que se pueda realizar la superconductividad a temperatura ambiente, principalmente porque los superconductores son materiales muy complejos con estados magnéticos y electrónicos entrelazados y, a veces, en competencia. Estos diferentes estados, o fases, pueden ser muy difíciles de desentrañar e interpretar.
Uno de esos estados es un estado superconductor alternativo de la materia conocido como onda de densidad de pares (PDW), que se caracteriza por pares de electrones acoplados que están en constante movimiento. Se cree que los PDW solo surgen cuando se coloca un superconductor dentro de un gran campo magnético, hasta ahora.
Recientemente, investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Columbia y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón observaron directamente un PDW en un material superconductor a base de hierro sin campo magnético presente. Describen sus resultados en la edición en línea del 28 de junio de 2023 de la revista. Naturaleza.
«Los investigadores en nuestro campo han teorizado que un PDW podría existir por sí solo, pero la evidencia ha sido ambigua en el mejor de los casos», dijo Kazuhiro Fujita, físico de Brookhaven que participó en el estudio. “Este superconductor a base de hierro es el primer material donde la evidencia apunta claramente a un campo magnético cero PDW. Este es un resultado emocionante que abre posibles nuevas vías de investigación y descubrimiento para la superconductividad”.
El material, pnictide de hierro EuRbFe4Como4 (Eu-1144), que tiene una estructura cristalina en capas, también es bastante notable porque exhibe naturalmente superconductividad y ferromagnetismo. Esta identidad dual inusual es lo que inicialmente atrajo al grupo al material y los llevó a estudiarlo.
“Queríamos ver si este magnetismo está relacionado con la superconductividad. En general, los superconductores se desestabilizan por orden magnético, por lo que cuando la superconductividad y el magnetismo existen juntos en un solo compuesto, es interesante ver cómo coexisten los dos», dijo el físico Abhay Pasupathy, uno de los coautores del artículo, afiliado a con Brookhaven y Columbia. “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”.
La superconductividad modulada espacialmente se detectó después de la aparición del magnetismo.
Pasupathy y sus colegas estudiaron el Eu-1144 en el laboratorio de vibraciones ultrabajas de Brookhaven utilizando un microscopio de túnel de exploración de imágenes espectroscópicas (SI-STM) de última generación.
“Este microscopio mide cuántos electrones en una ubicación específica en el ‘túnel’ del 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”, dijo Fujita. «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».
Tomaron medidas en su muestra a medida que aumentaba su temperatura, pasando por dos puntos críticos: la temperatura del magnetismo, por debajo de la cual el material exhibe ferromagnetismo, y la temperatura superconductora, por debajo de la cual el material es capaz de transportar corriente con resistencia cero.
Por debajo de la temperatura superconductora crítica de la muestra, las mediciones revelaron una brecha en el espectro de energías de los electrones. Esta brecha es un marcador importante porque su tamaño es equivalente a la energía requerida para romper los pares de electrones que transportan la corriente superconductora. Las modulaciones de brecha revelan variaciones en las energías de enlace de los electrones, que oscilan entre un mínimo y un máximo. Estas modulaciones de brecha de potencia son una firma directa de un PDW.
Este descubrimiento apunta a los investigadores en nuevas direcciones, como intentar reproducir este fenómeno en otros materiales. También hay otros aspectos de un PDW que se pueden investigar, como tratar de detectar indirectamente el movimiento de pares de electrones a través de firmas que aparecen en otras propiedades del material.
“Muchos de nuestros colaboradores estaban muy interesados en nuestro trabajo y ya están planeando diferentes tipos de experimentos con este material, como el uso de rayos X y muones”, dijo Pasupathy.
Este grupo de investigación también incluye a He Zhao (Brookhaven Lab), Raymond Blackwell (Brookhaven Lab), Morgan Thinel (Columbia University), Taketo Handa (Columbia University), Shigeyuki Ishida (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan), Xiaoyang Zhu (Universidad de Columbia), Akira Iyo (Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, Japón) e Hiroshi Eisaki (Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, Japón). El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE (BES), la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.
El Laboratorio Nacional de Brookhaven está financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información visite ciencia.energia.gov.
