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    Surgen nuevas pistas en el misterio de los superconductores de hace 30 años

    Una representación artística de los datos que muestran la ruptura de la inversión espacial y las simetrías rotacionales en la región del pseudogap de los materiales superconductores, evidencia de que el pseudogap es una fase distinta de la materia. Los anillos de luz reflejados por un superconductor revelan las simetrías rotas. Crédito:Hsieh Lab / Caltech

    Uno de los mayores misterios de la física experimental es cómo funcionan los llamados materiales superconductores de alta temperatura. A pesar de su nombre, Los superconductores de alta temperatura (materiales que transportan corriente eléctrica sin resistencia) funcionan a temperaturas frías inferiores a 135 grados Celsius bajo cero. Se pueden utilizar para fabricar cables de alimentación supereficientes, resonancias magnéticas médicas, aceleradores de partículas, y otros dispositivos. Desvelar el misterio de cómo funcionan realmente estos materiales podría conducir a dispositivos superconductores que funcionen a temperatura ambiente, y podría revolucionar los dispositivos eléctricos. incluyendo laptops y teléfonos.

    En un nuevo artículo de la revista Física de la naturaleza , Los investigadores de Caltech han resuelto por fin una pieza de este perdurable rompecabezas. Han confirmado que una fase de transición de la materia llamada pseudogap, una que ocurre antes de que estos materiales se enfríen para convertirse en superconductores, representa un estado distinto de la materia. con propiedades muy diferentes a las del propio estado superconductor.

    Cuando la materia pasa de un estado, o fase, a otro, digamos, el agua se congela y se convierte en hielo:hay un cambio en el patrón de ordenamiento de las partículas de los materiales. Los físicos habían detectado previamente indicios de algún tipo de ordenamiento de electrones dentro del estado de pseudogap. Pero exactamente cómo estaban ordenando, y si ese ordenamiento constituía un nuevo estado de la materia, no estaba claro hasta ahora.

    "Una propiedad peculiar de todos estos superconductores de alta temperatura es que, justo antes de entrar en el estado superconductor, invariablemente entran primero en el estado pseudogap, cuyos orígenes son igualmente, si no más misteriosos, que el propio estado superconductor, "dice David Hsieh, profesor de física en Caltech e investigador principal de la nueva investigación. "Hemos descubierto que en el estado pseudogap, los electrones forman un patrón muy inusual que rompe casi todas las simetrías del espacio. Esto proporciona una pista muy convincente sobre el origen real del estado de pseudogap y podría conducir a una nueva comprensión de cómo funcionan los superconductores de alta temperatura ".

    El fenómeno de la superconductividad se descubrió por primera vez en 1911. Cuando ciertos materiales se enfrían a temperaturas extremadamente frías, tan bajo como unos pocos grados por encima del cero absoluto (unos pocos grados Kelvin), llevan corriente eléctrica sin resistencia, para que no se pierda calor ni energía. A diferencia de, Nuestras computadoras portátiles no están hechas de materiales superconductores y, por lo tanto, experimentan resistencia eléctrica y se calientan.

    Para enfriar materiales a temperaturas tan extremadamente bajas se requiere helio líquido. Sin embargo, porque el helio líquido es escaso y caro, Los físicos han estado buscando materiales que puedan funcionar como superconductores a temperaturas cada vez más altas. Los llamados superconductores de alta temperatura, descubierto en 1986, ahora se sabe que funcionan a temperaturas de hasta 138 Kelvin (menos 135 grados Celsius) y, por lo tanto, se pueden enfriar con nitrógeno líquido, que es más asequible que el helio líquido. La pregunta que ha eludido a los físicos, sin embargo, a pesar de los tres premios Nobel otorgados hasta la fecha en el campo de la superconductividad, así es exactamente como funcionan los superconductores de alta temperatura.

    La danza de los electrones superconductores

    Los materiales se vuelven superconductores cuando los electrones superan su repulsión natural y forman pares. Este emparejamiento puede ocurrir bajo temperaturas extremadamente frías, permitiendo los electrones, y las corrientes eléctricas que llevan, moverse sin trabas. En superconductores convencionales, el apareamiento de electrones es causado por vibraciones naturales en la red cristalina del material superconductor, que actúan como pegamento para unir los pares.

    Pero en superconductores de alta temperatura, esta forma de "pegamento" no es lo suficientemente fuerte para unir los pares de electrones. Los investigadores piensan que el pseudogap, y cómo se ordenan los electrones en esta fase, contiene pistas sobre lo que puede constituir este pegamento para los superconductores de alta temperatura. Para estudiar el orden de los electrones en el pseudogap, Hsieh y su equipo han inventado un nuevo método basado en láser llamado anisotropía rotacional óptica no lineal. En el método, se apunta un láser al material superconductor; en este caso, cristales de óxido de cobre ytrio, bario (YBa2Cu3Oy). Un análisis de la luz reflejada a la mitad de la longitud de onda en comparación con la que entra revela cualquier simetría en la disposición de los electrones en los cristales.

    Las simetrías rotas apuntan a una nueva fase

    Las diferentes fases de la materia tienen distintas simetrías. Por ejemplo, cuando el agua se convierte en hielo, los físicos dicen que la simetría se ha "roto".

    "En agua, "Hsieh explica, "las moléculas de H2O están orientadas de forma bastante aleatoria. Si estuvieras nadando en una piscina infinita de agua, su entorno se ve igual sin importar dónde se encuentre. Soy amable, por otra parte, las moléculas de H2O forman una red periódica regular, así que si te imaginas sumergido en un bloque infinito de hielo, su entorno parece diferente dependiendo de si está sentado en un átomo de H u O. Por lo tanto, decimos que la simetría traslacional del espacio se rompe al pasar del agua al hielo ".

    Con la nueva herramienta, El equipo de Hsieh pudo demostrar que los electrones enfriados a la fase de pseudogap rompieron un conjunto específico de simetrías espaciales llamadas inversión y simetría rotacional. "Tan pronto como el sistema entró en la región pseudogap, ya sea en función de la temperatura o de la cantidad de oxígeno en el compuesto, hubo una pérdida de inversión y simetrías rotacionales, indicando claramente una transición a una nueva fase de la materia, "dice Liuyan Zhao, becario postdoctoral en el laboratorio de Hsieh y autor principal del nuevo estudio. "Es emocionante que estemos usando una nueva tecnología para resolver un viejo problema".

    "El descubrimiento de inversión rota y simetrías rotacionales en el pseudogap reduce drásticamente el conjunto de posibilidades de cómo los electrones se autoorganizan en esta fase, "dice Hsieh." De alguna manera, esta fase inusual puede resultar ser el aspecto más interesante de estos materiales superconductores ".

    Con una pieza del rompecabezas resuelta, los investigadores pasan a la siguiente. Quieren saber qué papel juega este orden de electrones en el pseudogap en la inducción de superconductividad a alta temperatura, y cómo hacer que suceda a temperaturas aún más altas.

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