El rendimiento perfecto de los superconductores podría revolucionar todo, desde la infraestructura de energía a escala de red hasta la electrónica de consumo, si tan solo pudieran ser obligados a operar por encima de temperaturas gélidas. Incluso los llamados superconductores de alta temperatura (HTS) deben enfriarse a cientos de grados Fahrenheit bajo cero.

Ahora, Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Yale han descubierto nuevos comportamiento sorprendente de los electrones en un material HTS. Los resultados, publicado el 27 de julio en la revista Naturaleza , describen el flujo de electrones que rompe la simetría a través de superconductores de óxido de cobre (cuprato). El comportamiento puede estar relacionado con el mecanismo siempre escurridizo detrás de HTS.

"Nuestro descubrimiento desafía una piedra angular de la física de la materia condensada, ", dijo el autor principal y físico de Brookhaven Lab, Jie Wu." Estos electrones parecen 'elegir' espontáneamente sus propios caminos a través del material, un fenómeno en oposición directa a las expectativas ".

Electrones todoterreno

En metales simples, los electrones se mueven uniformemente y sin preferencia direccional; piense en un líquido que se extiende sobre una superficie. Los materiales HTS en este estudio están superpuestos con simetría rotacional cuádruple de la estructura cristalina. Se espera que la corriente eléctrica fluya uniformemente en paralelo a estas capas, pero esto no es lo que observó el grupo de Brookhaven.

"Soy del Medio Oeste, donde millas de tierras de cultivo separan las ciudades, ", dijo el físico de Brookhaven y coautor del estudio Anthony Bollinger." Las carreteras rurales entre las ciudades están dispuestas en gran parte como una cuadrícula que va de norte a sur y de este a oeste. Esperas que los coches sigan la parrilla que está hecho a medida para ellos. Esta ruptura de simetría es como si todos decidieran dejar las carreteras pavimentadas y cruzar directamente los campos de los agricultores ".

En otro giro el voltaje que rompe la simetría persistió hasta la temperatura ambiente y en toda la gama de composiciones químicas que examinaron los científicos.

"Los electrones coordinan de alguna manera su movimiento a través del material, incluso después de que falle la superconductividad, "dijo Wu.

Las fuertes interacciones electrón-electrón pueden ayudar a explicar la dirección preferencial del flujo de corriente. Sucesivamente, estas peculiaridades electrónicas intrínsecas pueden compartir una relación con los fenómenos HTS y ofrecer una pista para decodificar su mecanismo desconocido.

Buscando la perfección atómica

A diferencia de la superconductividad clásica bien entendida, HTS ha desconcertado a los científicos durante más de tres décadas. Ahora, Las técnicas avanzadas ofrecen conocimientos sin precedentes.

"La parte más difícil de todo el trabajo, y lo que nos ayuda a diferenciarnos, fue la meticulosa síntesis del material, ", dijo el coautor del estudio, Xi He.

Este trabajo fue parte de un proyecto más grande que tomó 12 años y abarcó la síntesis y el estudio de más de 2, 000 películas de superconductores de óxido de cobre, estroncio y lantano.

"Esta escala de investigación se adapta bien a un entorno de laboratorio nacional, "dijo Ivan Bozovic, quien lidera el grupo de Brookhaven detrás del esfuerzo.

Usan una técnica llamada epitaxia de haz molecular (MBE) para ensamblar óxidos complejos una capa atómica a la vez. Para asegurar la perfección estructural, los científicos caracterizan los materiales en tiempo real con difracción de electrones, donde un haz de electrones golpea la muestra y los detectores sensibles miden con precisión cómo se dispersa.

"El material en sí es nuestra base, y debe ser lo más impecable posible para garantizar que las propiedades observadas sean intrínsecas, "Dijo Bozovic." Además, en virtud de nuestra síntesis 'digital', diseñamos las películas a nivel de capa atómica, y optimizarlos para diferentes estudios ".

Nadando contra la corriente

El primer resultado importante de este estudio exhaustivo realizado por el grupo MBE en Brookhaven se publicó en Naturaleza el año pasado. Demostró que el estado superconductor en materiales de óxido de cobre es bastante inusual, desafiando la comprensión estándar.

Ese hallazgo sugirió que el llamado estado metálico "normal", que se forma por encima del umbral de temperatura crítica en el que se descompone la superconductividad, también podría ser extraordinario. Mirando con cuidado los científicos observaron que a medida que la corriente externa fluía a través de las muestras, un voltaje espontáneo emergió inesperadamente perpendicular a esa corriente.

"Observamos por primera vez este voltaje extraño hace más de una década, pero nosotros y otros descartamos eso como una especie de error, ", Dijo Bollinger." Pero luego apareció de nuevo, y otra vez, una y otra vez, en condiciones cada vez más controladas, y nos quedamos sin formas de explicarlo. Cuando finalmente nos sumergimos los resultados superaron nuestras expectativas ".

Para precisar el origen del fenómeno, los científicos fabricaron y midieron miles de dispositivos modelados a partir de las películas HTS. Estudiaron cómo este voltaje espontáneo depende de la dirección de la corriente, temperatura, y la composición química (el nivel de dopaje por estroncio, que controla la densidad de electrones). También variaron el tipo y la estructura cristalina de los sustratos sobre los que se cultivan las películas de HTS, e incluso cómo se pulen los sustratos.

Estos meticulosos estudios demostraron sin lugar a dudas que el efecto es intrínseco al propio material HTS, y que su origen es puramente electrónico.

A nivel molecular, los líquidos comunes tienen el mismo aspecto en todas las direcciones. Algunos, sin embargo, se componen de moléculas con forma de varilla, que tienden a alinearse en una dirección preferida. Estos materiales se denominan cristales líquidos:polarizan la luz y se utilizan ampliamente en pantallas. Mientras que los electrones de los metales comunes se comportan como un líquido, en los cupratos se comportan como un cristal líquido electrónico.

"Necesitamos entender cómo encaja este comportamiento de los electrones en el rompecabezas del HTS como un todo, "Dijo." Este estudio nos da nuevas ideas a seguir y formas de abordar lo que puede ser el mayor misterio en la física de la materia condensada. Estoy emocionado de ver a dónde nos lleva esta investigación ".