Los superconductores transportan electricidad con perfecta eficiencia, a diferencia del inevitable desperdicio inherente a los conductores tradicionales como el cobre. Pero esa perfección tiene el precio del frío extremo, incluso la llamada superconductividad de alta temperatura (HTS) solo emerge muy por debajo de cero grados Fahrenheit. Descubrir el mecanismo siempre escurridizo detrás de HTS podría revolucionar todo, desde las redes eléctricas regionales hasta las turbinas eólicas.

Ahora, una colaboración dirigida por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. ha descubierto una ruptura sorprendente en las interacciones de los electrones que pueden sustentar el HTS. Los científicos descubrieron que a medida que la superconductividad desaparece a temperaturas más altas, Las poderosas ondas de electrones comienzan a desacoplarse curiosamente y se comportan de forma independiente, como las olas del océano que se dividen y ondulan en diferentes direcciones.

"Por primera vez, identificamos estas interacciones clave de electrones que ocurren después de que la superconductividad disminuye, ", dijo el primer autor e investigador asociado de Brookhaven Lab, Hu Miao." El retrato es más extraño y emocionante de lo que esperábamos, y ofrece nuevas formas de comprender y potencialmente explotar estos notables materiales ".

El nuevo estudio, publicado el 7 de noviembre en la revista PNAS , explora la desconcertante interacción entre dos propiedades cuánticas clave de los electrones:el giro y la carga.

"Sabemos que la carga y el giro se unen y forman ondas en óxidos de cobre enfriados a temperaturas superconductoras, ", dijo el autor principal del estudio y físico del Brookhaven Lab, Mark Dean." Pero no nos dimos cuenta de que estas ondas de electrones persisten pero parecen desacoplarse a temperaturas más altas ".

Rayas y ondas electrónicas

Los científicos del Brookhaven Lab descubrieron en 1995 que el giro y la carga pueden unirse y formar "franjas" moduladas espacialmente a bajas temperaturas en algunos materiales HTS. Otros materiales, sin embargo, presentan cargas de electrones correlacionadas que se mueven como ondas de densidad de carga que parecen ignorar el espín por completo. Profundizando el misterio de HTS, La carga y el giro también pueden abandonar la independencia y vincularse.

"El papel de estas 'rayas' y ondas correlacionadas en la superconductividad de alta temperatura es objeto de acalorados debates, "Dijo Miao." Algunos elementos pueden ser esenciales o solo una pequeña pieza del rompecabezas más grande. Necesitábamos una imagen más clara de la actividad de los electrones a través de temperaturas, particularmente las señales fugaces a temperaturas más cálidas ".

Imagínese conocer la estructura química precisa del hielo, por ejemplo, pero sin tener idea de lo que sucede cuando se transforma en líquido o vapor. Con estos superconductores de óxido de cobre, o cupratos, hay un misterio comparable, pero escondido dentro de materiales mucho más complejos. Todavía, los científicos esencialmente necesitaban tomar una muestra helada y calentarla meticulosamente para rastrear exactamente cómo cambian sus propiedades.

Señales sutiles en materiales a medida

El equipo recurrió a un material de HTS bien establecido, óxidos de cobre de lantano-bario (LBCO) conocidos por formaciones de franjas fuertes. Genda Gu, científico de Brookhaven Lab, preparó minuciosamente las muestras y personalizó las configuraciones de electrones.

"No podemos tener anomalías estructurales o átomos errantes en estos cupratos; deben ser perfectos, ", Dijo Dean." Genda se encuentra entre los mejores del mundo en la creación de estos materiales, y somos afortunados de tener su talento tan cerca ".

A bajas temperaturas, las señales de los electrones son potentes y fáciles de detectar, que es parte de por qué su descubrimiento ocurrió hace décadas. Para detectar las señales más esquivas a temperaturas más altas, el equipo necesitaba una sensibilidad sin precedentes.

"Recurrimos a la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia para el trabajo experimental clave, ", Dijo Miao." Nuestros colegas operan una línea de luz que sintoniza cuidadosamente la energía de los rayos X para que resuene con electrones específicos y detecte pequeños cambios en su comportamiento ".

El equipo utilizó una técnica llamada dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) para rastrear la posición y la carga de los electrones. Un haz de rayos X enfocado golpea el material, deposita algo de energía, y luego rebota en los detectores. Esos rayos X dispersos llevan la firma de los electrones que golpean en el camino.

A medida que la temperatura subió en las muestras, causando que la superconductividad se desvanezca, las ondas acopladas de carga y giro comenzaron a desbloquearse y moverse de forma independiente.

"Esto indica que su acoplamiento puede reforzar la formación de franjas, o mediante algún mecanismo desconocido potenciar la superconductividad de alta temperatura, "Dijo Miao." Ciertamente merece una mayor exploración en otros materiales para ver qué tan frecuente es este fenómeno. Es una idea clave ciertamente, pero es demasiado pronto para decir cómo puede desbloquear el mecanismo HTS ".

Esa exploración adicional incluirá materiales HTS adicionales, así como otras instalaciones de sincrotrón, en particular, la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven Lab (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Usando nuevas líneas de luz en NSLS-II, tendremos la libertad de rotar la muestra y aprovechar una resolución de energía significativamente mejor, "Dijo Dean." Esto nos dará una imagen más completa de las correlaciones de electrones en toda la muestra. Hay mucho más descubrimiento por venir ".