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    Revelando giro oculto:desbloqueando nuevos caminos hacia superconductores de alta temperatura

    Con la resolución de giro habilitada por el detector SARPES, Los investigadores de Berkeley Lab revelaron propiedades magnéticas de Bi-2212 que han pasado desapercibidas en estudios anteriores. Crédito:Kenneth Gotlieb, Chiu-Yun Lin, et al./Berkeley Lab

    En la década de 1980, el descubrimiento de superconductores de alta temperatura conocidos como cupratos puso patas arriba una teoría ampliamente sostenida de que los materiales superconductores transportan corriente eléctrica sin resistencia solo a temperaturas muy bajas de alrededor de 30 Kelvin (o menos 406 grados Fahrenheit). Desde hace décadas, Los investigadores han quedado desconcertados por la capacidad de algunos cupratos de superconducir a temperaturas de más de 100 Kelvin (menos 280 grados Fahrenheit).

    Ahora, Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) han revelado una pista sobre las propiedades inusuales de los cupratos, y la respuesta se encuentra en una fuente inesperada:el espín del electrón. Su artículo que describe la investigación detrás de este descubrimiento fue publicado el 13 de diciembre en la revista Ciencias .

    Añadiendo espín de electrones a la ecuación

    Cada electrón es como un pequeño imán que apunta en una dirección determinada. Y los electrones dentro de la mayoría de los materiales superconductores parecen seguir su propia brújula interior. En lugar de apuntar en la misma dirección, los giros de sus electrones apuntan al azar en todas direcciones:algunos hacia arriba, algunos abajo otros a la izquierda oa la derecha.

    Cuando los científicos están desarrollando nuevos tipos de materiales, por lo general, miran el espín de electrones de los materiales, o la dirección en la que apuntan los electrones. Pero cuando se trata de hacer superconductores, Los físicos de la materia condensada no se han centrado tradicionalmente en el giro, porque el punto de vista convencional era que todas las propiedades que hacen que estos materiales sean únicos se formaron únicamente por la forma en que dos electrones interactúan entre sí a través de lo que se conoce como "correlación de electrones".

    Pero cuando un equipo de investigación dirigido por Alessandra Lanzara, un científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y un Profesor de Física Charles Kittel en la UC Berkeley, utilizó un detector único para medir muestras de un superconductor de cuprato exótico, Bi-2212 (óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre), con una poderosa técnica llamada SARPES (espectroscopia de fotoemisión de resolución de ángulo y espín), descubrieron algo que desafió todo lo que habían sabido sobre los superconductores:un patrón distinto de espines de electrones dentro del material.

    "En otras palabras, Descubrimos que había una dirección bien definida en la que apuntaba cada electrón dado su impulso, una propiedad también conocida como bloqueo de impulso de giro, ", dijo Lanzara." Encontrarlo en superconductores de alta temperatura fue una gran sorpresa ".

    Un equipo de investigación dirigido por Alessandra Lanzara de Berkeley Lab (segunda desde la izquierda) utilizó un detector SARPES (espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo y giro) para descubrir un patrón distinto de espines de electrones dentro de superconductores de cuprato de alta temperatura. Los coautores principales son Kenneth Gotlieb (segundo desde la derecha) y Chiu-Yun Lin (derecha). Los coautores del estudio incluyen a Chris Jozwiak de Advanced Light Source de Berkeley Lab (izquierda). Crédito:Peter DaSilva / Berkeley Lab

    Un nuevo mapa para superconductores de alta temperatura

    En el mundo de los superconductores, "alta temperatura" significa que el material puede conducir electricidad sin resistencia a temperaturas más altas de lo esperado, pero aún en temperaturas extremadamente frías muy por debajo de cero grados Fahrenheit. Eso es porque los superconductores necesitan ser extraordinariamente fríos para transportar electricidad sin ninguna resistencia. A esas bajas temperaturas los electrones pueden moverse en sincronía entre sí y no ser golpeados por átomos que se mueven, causando resistencia eléctrica.

    Y dentro de esta clase especial de materiales superconductores de alta temperatura, los cupratos son algunos de los mejores lo que lleva a algunos investigadores a creer que tienen un uso potencial como un nuevo material para construir cables eléctricos súper eficientes que pueden transportar energía sin pérdida de impulso electrónico, dijo el coautor principal Kenneth Gotlieb, quien era un Ph.D. estudiante en el laboratorio de Lanzara en el momento del descubrimiento. Comprender qué hace que algunos superconductores de cuprato exóticos como Bi-2212 funcionen a temperaturas tan altas como 133 Kelvin (aproximadamente -220 grados Fahrenheit) podría facilitar la realización de un dispositivo práctico.

    Entre los materiales muy exóticos que estudian los físicos de materia condensada, hay dos tipos de interacciones de electrones que dan lugar a propiedades novedosas para nuevos materiales, incluyendo superconductores, dijo Gotlieb. Los científicos que han estado estudiando los superconductores de cuprato se han centrado en solo una de esas interacciones:la correlación de electrones.

    El otro tipo de interacción de electrones que se encuentra en materiales exóticos es el "acoplamiento espín-órbita", la forma en que el momento magnético del electrón interactúa con los átomos del material.

    El acoplamiento espín-órbita a menudo se descuidaba en los estudios de superconductores de cuprato, porque muchos asumieron que este tipo de interacción de electrones sería débil en comparación con la correlación de electrones, dijo el coautor principal, Chiu-Yun Lin, investigador de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio y Ph.D. estudiante del Departamento de Física de UC Berkeley. Entonces, cuando encontraron el patrón de giro inusual, Lin dijo que aunque estaban gratamente sorprendidos por este hallazgo inicial, todavía no estaban seguros de si era una propiedad intrínseca "verdadera" del material Bi-2212, o un efecto externo causado por la forma en que la luz láser interactuó con el material en el experimento.

    Iluminando el espín del electrón con SARPES

    En el transcurso de casi tres años, Gotlieb y Lin utilizaron el detector SARPES para trazar minuciosamente el patrón de giro en el laboratorio de Lanzara. Cuando necesitaban energías de fotones más altas para excitar una gama más amplia de electrones dentro de una muestra, los investigadores trasladaron el detector al lado del sincrotrón de Berkeley Lab, la fuente de luz avanzada (ALS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE de EE. UU. que se especializa en energía baja, Luz de rayos X "suave" para estudiar las propiedades de los materiales.

    El detector SARPES fue desarrollado por Lanzara, junto con los coautores Zahid Hussain, el exdiputado de la división ALS, y Chris Jozwiak, un científico del personal de ALS. El detector permitió a los científicos sondear propiedades electrónicas clave de los electrones, como la estructura de la banda de valencia.

    Después de decenas de experimentos en la ALS, donde el equipo de investigadores conectó el detector SARPES a Beamline 10.0.1 para poder acceder a esta poderosa luz para explorar el giro de los electrones que se mueven con un impulso mucho mayor a través del superconductor que aquellos a los que podrían acceder en el laboratorio, encontraron que el patrón de giro distintivo de Bi-2212, llamado "giro distinto de cero, era un resultado verdadero, inspirándolos a hacer aún más preguntas. "Quedan muchas preguntas sin resolver en el campo de la superconductividad de alta temperatura, ", dijo Lin." Nuestro trabajo proporciona nuevos conocimientos para comprender mejor los superconductores de cuprato, que puede ser un componente básico para resolver estas cuestiones ".

    Lanzara agregó que su descubrimiento no podría haber ocurrido sin la "ciencia en equipo" colaborativa de Berkeley Lab, un laboratorio nacional del DOE con vínculos históricos con la cercana UC Berkeley. "Este trabajo es un ejemplo típico de adónde puede llegar la ciencia cuando se unen personas con experiencia en todas las disciplinas científicas, y cómo la nueva instrumentación puede traspasar los límites de la ciencia, " ella dijo.

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