Un patrón de difracción de electrones de cuasicristal de Al-Zn-Mg con un dodecaedro que forma un cúmulo de tipo Bergman. Crédito:Keiichiro Imura, Noriaki K. Sato, y Tsutomu Ishimasa
Suceden cosas extraordinarias a bajas temperaturas. Uno de los mejores ejemplos es la superconductividad, un fenómeno en el que la resistencia eléctrica de un sólido cae a cero por debajo de una temperatura crítica. Conocido desde hace un siglo, La superconductividad ahora tiene aplicaciones en la ciencia y la industria. Los estudiantes de física y química pueden incluso hacer sus propios imanes levitantes a partir de aleaciones superconductoras.
La mayoría de los superconductores, como la mayoría de los sólidos, son cristalinos, con estructuras atómicas construidas a partir de células que se repiten periódicamente. Desde la década de 1980, una forma alternativa de sólido, el cuasicristal (QC), se ha vuelto prominente. Aunque los controles de calidad tienen simetría, como cristales, no tienen unidades repetidas. Esta falta de periodicidad da como resultado estructuras electrónicas inusuales. Ahora, en un estudio en Comunicaciones de la naturaleza , un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Nagoya ha descubierto la superconductividad en un control de calidad por primera vez.
El equipo estudió una aleación de aluminio, zinc y magnesio. Se sabe que la versión cristalina es superconductora. Sin embargo, la estructura de Al-Zn-Mg depende de la proporción de los tres elementos. El equipo descubrió que Al tenía un efecto crucial en las propiedades de la aleación. Como señala el primer autor del estudio, Keisuke Kamiya, "Cuando redujimos el contenido de Al manteniendo el contenido de Mg casi constante, la temperatura crítica para la superconductividad al principio disminuyó gradualmente de ~ 0.8 a ~ 0.2 K. Sin embargo, al 15% de Al, Sucedieron dos cosas:la aleación se transformó en un cuasicristal, y la temperatura crítica se desplomó a ~ 0,05 K. "
Esta temperatura crítica extremadamente baja, solo 1/20 de grado por encima del cero absoluto, explica por qué la superconductividad en los controles de calidad ha resultado tan difícil de lograr. Sin embargo, la aleación QC mostró dos características arquetípicas de los superconductores:un salto en el calor específico a la temperatura crítica, y la casi total exclusión del flujo magnético del interior, conocido como el efecto Meissner.
Dependencia de la temperatura de la relación de resistencia, magnetización, y calor específico dividido por la temperatura en la vecindad de la temperatura de transición superconductora indicada por la línea vertical discontinua. Crédito:Keiichiro Imura, Noriaki K. Sato, y Tsutomu Ishimasa
La superconducción en cristales convencionales ahora se comprende bien. A temperatura suficientemente baja, los electrones cargados negativamente superan su repulsión mutua y se atraen entre sí, formando equipos en parejas. Estos "pares de Cooper" se fusionan en un condensado de Bose-Einstein, un estado cuántico de la materia con resistencia eléctrica cero. Sin embargo, la atracción entre electrones se basa en su interacción con la red sólida, y la teoría convencional asume que este es un cristal periódico, en lugar de un control de calidad.
Para el origen de la superconducción en la aleación QC, el equipo consideró tres posibilidades. El más exótico fueron los "estados propios críticos":estados electrónicos especiales que solo se encuentran cerca del cero absoluto. Los autoestados electrónicos se extienden en cristales, y localizado en sólidos aleatorios, pero la extensión espacial de los autoestados críticos en los CC, que no son ni periódicos ni aleatorios, no está clara. Sin embargo, el equipo los descartó basándose en sus medidas. Eso llevó de vuelta a las parejas de Cooper, en la variedad extendida o menos común de "acoplamiento débil". De hecho, la aleación se parecía mucho a un superconductor típico de acoplamiento débil.
"Es interesante que la superconductividad de esta aleación no esté vinculada a su cuasicristalinidad, pero se asemejaba a que en los llamados cristales sucios, "dice el autor correspondiente Noriaki K. Sato." Sin embargo, la teoría de los cuasicristales también predice otra forma de superconducción, basado en geometría fractal en QC. Creemos que existe una gran posibilidad de que la superconductividad fractal haga al menos alguna contribución, y estaríamos emocionados de finalmente medirlo ".
El artículo, "Descubrimiento de superconductividad en cuasicristal, "fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
