La superconductividad de alta temperatura ofrece una transmisión perfecta de electricidad, pero lo hace al precio de un frío extremo y un mecanismo siempre esquivo. Si se entiende, los científicos podrían impulsar la superconductividad a temperaturas más cálidas y mejorar radicalmente las redes eléctricas, electrónica de consumo, y más, pero el enigma ha persistido durante más de 30 años.

Ahora, Los científicos han abierto nuevos caminos al acercarse desde un ángulo contrario a la intuición:sondear los llamados "metales malos" que conducen la electricidad de manera deficiente. Los investigadores encontraron que las "franjas" de carga electrónica, que puede desempeñar un papel clave en la superconductividad, persistir a través de temperaturas sorprendentemente altas, conductividad de la forma, y tienen propiedades dependientes de la dirección.

Los resultados, que examinó el sistema modelo de materiales de óxido de níquel cultivados a medida, fueron publicados en línea el 28 de abril en la revista Cartas de revisión física .

"Este es un paso en el camino para resolver el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura y el complejo papel de las franjas de carga, "dijo Ruidan Zhong, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en la Universidad de Stony Brook. "Capturamos instantáneas de franjas dinámicas que fluctúan en una fase líquida, donde tienen libertad para alinearse y permitir de forma intermitente el flujo de electricidad ".

La colaboración utilizó la fuente de espalación de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para medir las rayas.

"Hemos estado estudiando el pedido de bandas durante dos décadas, y los instrumentos Oak Ridge son perfectos para explorar nuevos territorios, "dijo el coautor John Tranquada, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. "La señal que buscábamos era muy débil, y fue enterrado en una jungla de señales mucho más fuertes, pero lo encontramos ".

Bombardeando un poco de alquimia

Durante décadas, los científicos han podido tomar ciertos aislantes de óxido de cobre (cuprato), lo que significa que no conducen electricidad, y sustituir átomos para modificar el contenido de electrones y luego inducir superconductividad a temperaturas gélidas. Si bien las rayas probablemente juegan un papel esencial, su presencia y comportamiento a través de las temperaturas es particularmente difícil de rastrear.

"En superconductores de cuprato, hemos aprendido a detectar franjas de carga cuando están fijadas a la red atómica, pero una vez que comienzan a moverse, los perdemos de vista, Tranquada dijo. en lugar de un compuesto superconductor de lantano, estroncio, cobre, y oxigeno, hicimos un poco de alquimia para reemplazar el cobre con níquel ".

En un elegante proceso dirigido por la coautora del estudio y científica de Brookhaven Genda Gu, los cristales de óxido de níquel o niquelato se cultivaron a partir de una fase líquida sin el uso de ningún recipiente. Como ofrecían una estructura similar a los cupratos, pero con un orden de rayas más fuerte, las escurridizas franjas de carga serían más fáciles de detectar, suponiendo que se pueda encontrar la herramienta adecuada para mirar dentro.

El equipo recurrió al espectrómetro híbrido de tiempo de vuelo (HYSPEC) en la fuente de neutrones de espalación de Oak Ridge Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. El instrumento, producto de una propuesta desarrollada por primera vez en Brookhaven, bombardeó la muestra de niquelato con un haz de neutrones que luego se dispersaron por la estructura atómica. Al medir el tiempo que tardan los neutrones dispersos en llegar a los detectores, los científicos dedujeron la energía perdida o ganada, lo que a su vez reveló la presencia o ausencia de las rayas.

Escuelas de peces electrónicos

Los resultados de la dispersión de neutrones, que requieren un intenso procesamiento informático, proporcionó evidencia de una denominada fase nemática en el niquelato.

"Las fases nemáticas electrónicas son impulsadas por correlaciones de electrones que rompen la simetría rotacional de la red cristalina del material, "Dijo Zhong." En el niquelado, estos como olas, las rayas correlacionadas se mueven a través del material e impactan directamente en la conductividad ".

Como explicó Tranquada, esto se puede visualizar como escuelas de largo, peces esbeltos nadando a través de una estructura hundida.

"Se mueven apretados, altamente coordinado, y manadas esquivas, "Dijo Tranquada." Nadar con estos peces en una dirección paralela puede ser bastante suave, pero nadar contra ese grupo coordinado en una dirección perpendicular es un desafío. Esto se parece un poco a la forma en que la corriente viaja a través de nuestro niquelato e interactúa con las ondas de carga ".

La forma precisa en que estas bandas de carga persistentes y curiosas influyen en la conductividad en los niquelatos y, lo que es más importante, en los cupratos superconductores análogos, sigue sin estar clara.

"Esperamos que este trabajo ofrezca nuevas oportunidades para la teoría y el experimento para explorar la superconductividad de alta temperatura, ", Dijo Zhong." Mientras seguimos mapeando estos materiales, el mecanismo eventualmente se quedará sin lugares para esconderse ".