Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha observado directamente un efecto cuántico sorprendente en un superconductor que contiene hierro a alta temperatura.

Los superconductores conducen la electricidad sin resistencia, haciéndolos valiosos para la transmisión de electricidad a larga distancia y muchas otras aplicaciones de ahorro de energía. Los superconductores convencionales operan solo a temperaturas extremadamente bajas, pero ciertos materiales a base de hierro descubiertos hace aproximadamente una década pueden superconducirse a temperaturas relativamente altas y han llamado la atención de los investigadores.

Exactamente cómo se forma la superconductividad en materiales a base de hierro es un misterio, especialmente porque el magnetismo del hierro parecería entrar en conflicto con el surgimiento de la superconductividad. Una comprensión más profunda de los materiales no convencionales, como los superconductores a base de hierro, podría conducir finalmente a nuevas aplicaciones para las tecnologías de ahorro de energía de próxima generación.

Los investigadores probaron el comportamiento de los superconductores a base de hierro cuando se agregan impurezas, es decir, átomos de cobalto, para explorar cómo se forma y se disipa la superconductividad. Sus hallazgos llevaron a nuevos conocimientos sobre una teoría de 60 años sobre cómo se comporta la superconductividad. El estudio fue publicado en la revista Cartas de revisión física esta semana.

Agregar impurezas es una forma útil de aprender sobre el comportamiento de los superconductores, dijo M. Zahid Hasan, el profesor de física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación. "Es como la forma en que sondeamos el comportamiento de las olas del agua en el lago lanzando una piedra, ", dijo." La forma en que las propiedades superconductoras reaccionan a la impureza revela sus secretos con detalles a nivel cuántico ".

Una idea de larga data conocida como teorema de Anderson predice que, aunque agregar impurezas puede introducir desorden en un superconductor, en muchos casos, no destruirá la superconductividad. El teorema fue propuesto en 1959 por el físico ganador del Premio Nobel Philip Anderson, Profesor Joseph Henry de Física de Princeton, Emeritus. Pero siempre hay excepciones a la regla.

El cobalto parece ser una de estas excepciones. Contrariamente a la teoría, la adición de cobalto obliga al superconductor a base de hierro a perder su capacidad superconductora y convertirse en un metal ordinario, en el que la electricidad fluye con resistencia y desperdicia su energía en forma de calor.

Hasta ahora, no ha quedado claro cómo sucede esto.

Para explorar este fenómeno, el equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica conocida como microscopía de túnel de barrido, que es capaz de obtener imágenes de átomos individuales, para estudiar un superconductor a base de hierro hecho de litio, hierro y arsénico.

Introdujeron impurezas no magnéticas en forma de átomos de cobalto en el superconductor para ver cómo se comportaba.

Los investigadores midieron una gran cantidad de muestras a temperaturas extremadamente bajas, aproximadamente menos 460 grados Fahrenheit (400 grados miliKelvin), que es más frío que el espacio exterior en casi diez grados Fahrenheit. Bajo estas condiciones, los investigadores localizaron e identificaron cada átomo de cobalto en la red cristalina, y luego midió directamente el efecto que tuvo sobre la superconductividad tanto a escala atómica local como en las propiedades superconductoras globales de la muestra.

Para hacer esto, los investigadores estudiaron más de 30 cristales en ocho concentraciones diferentes a estas temperaturas extremadamente bajas con resolución a nivel atómico. "No hay garantía de que un cristal determinado nos proporcione los datos de alta calidad que necesitamos, "dijo Songtian Sonia Zhang, estudiante de posgrado y co-primer autor del estudio.

Como resultado de este extenso experimento, el equipo descubrió que cada átomo de cobalto tiene un impacto local limitado que desaparece a uno o dos átomos de distancia de la impureza. Sin embargo, hay un fuerte evolución sistemática a través de una transición de fase a una normal, estado no superconductor a medida que aumenta la concentración de cobalto. La superconductividad finalmente se destruye por completo al introducir más átomos de cobalto.

La superconductividad se debe al emparejamiento de dos electrones para formar un solo estado cuántico descrito por una propiedad conocida como función de onda. Este emparejamiento permite que los electrones atraviesen un material sin la resistencia típica que ocurre en los metales cotidianos. La energía mínima requerida para dispersar los electrones y romper los pares se llama "brecha de energía superconductora".

Cuando se agregan átomos de cobalto, la fuerza de dispersión se puede describir de dos maneras:el límite fuerte (o unitario) y el límite débil (o Born). Dispersión en el límite de Born, nombrado en honor al físico Max Born, tiene el potencial más débil para alterar las funciones de onda de electrones que son cruciales para la interacción electrón-electrón y, por lo tanto, el emparejamiento de electrones.

Reemplazando átomos de hierro, los átomos de cobalto se comportan como dispersores de límite de Born. Aunque los dispersores de límite de nacimiento tienen un potencial relativamente débil para interrumpir la superconductividad, cuando muchos se combinan, pueden destruir la superconductividad.

Los investigadores descubrieron que para el material de arseniuro de hierro y litio, La dispersión en el límite de Born aparentemente puede violar el teorema de Anderson, conduciendo a una transición de fase cuántica de un estado superconductor a un estado no superconductor.

Los materiales superconductores pueden describirse mediante una característica conocida como espectro de tunelización, que proporciona una descripción del comportamiento de los electrones en un material y actúa como perfil de distribución de energía de un electrón. El material de arseniuro de hierro y litio tiene lo que se conoce como un espacio de "onda S" caracterizado por un fondo plano en forma de "U" en el espacio de energía superconductora. Un espacio superconductor completamente abierto indica la calidad de los materiales superconductores.

En un giro sorprendente las impurezas de cobalto no solo suprimen la superconductividad, también cambian la naturaleza del espacio a medida que evoluciona de una forma de U a una forma de V. La forma de la brecha superconductora generalmente refleja el "parámetro de orden, "que describe la naturaleza de la superconductividad. Tal forma es característica de los parámetros de orden que solo ocurren en un número único de superconductores de alta temperatura y apuntan a un comportamiento extremadamente poco convencional.

La aparente transformación a través de un cambio en el parámetro de orden (por ejemplo, reflejado en las mediciones por el cambio en la forma de la brecha superconductora) solo se suma al rompecabezas cuántico.

Esta evolución es inusual y llevó a los investigadores a profundizar su investigación. Combinando cálculos teóricos con mediciones magnéticas, pudieron confirmar la naturaleza no magnética de la dispersión del cobalto.

Dado que el teorema de Anderson establece que las impurezas no magnéticas deberían tener poco efecto sobre este tipo de superconductor, los investigadores se dieron cuenta de que era necesario desarrollar una teoría alternativa.

En superconductores a base de hierro, Los científicos han especulado que hay un cambio de signo para la fase del parámetro de orden superconductor en diferentes "bolsas de Fermi", los recuentos de energía que se forman debido a las reglas por las cuales los electrones ocupan la estructura cristalina.

"Ingenuamente, distinguir entre superconductividad convencional y superconductividad de cambio de signo requiere una medición sensible a la fase del parámetro de orden superconductor, que puede ser extremadamente desafiante, "dijo Ilya Belopolski, investigador postdoctoral en el grupo de Hasan y coautor del estudio. "Un aspecto hermoso de nuestro experimento es que al considerar las violaciones del teorema de Anderson, podemos eludir este requisito ".

De hecho, el equipo descubrió que al introducir tal cambio de signo en el parámetro de orden de la superconductividad, pudieron reproducir la extraña evolución de las impurezas de cobalto. Yendo más allá de estos cálculos iniciales, El equipo empleó otros tres métodos teóricos de vanguardia para demostrar el impacto de los dispersores de cobalto no magnéticos en este superconductor de cambio de signo.

"El hecho de que tres modelos teóricos diferentes apunten todos a la misma explicación demuestra que esta es una conclusión sólida, "dijo Jia-Xin Yin, un asociado de investigación postdoctoral y otro co-primer autor del estudio. En la búsqueda de resolver los misterios de la superconductividad, Se desarrollan modelos complicados que no siempre concuerdan entre sí. En este caso, Yin dijo, "Los resultados independientes del modelo señalan sin ambigüedades que se trata de un superconductor exótico que cambia de signo y que no se consideró originalmente en el trabajo de Anderson".