Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han demostrado que los superconductores a base de cobre, o cupratos, la primera clase de materiales que transportan electricidad sin pérdida a temperaturas relativamente altas, contienen franjas fluctuantes de carga de electrones y espín que serpentean como riachuelos sobre terreno accidentado.

Las franjas son zonas donde los electrones se acumulan, creando bandas de carga negativa, o alinear sus giros para crear bandas de magnetismo. Anteriormente se sabía que existían en superconductores de cuprato a temperaturas cercanas al cero absoluto, aunque en este profundo frío las rayas no se movieron y su papel exacto en la superconductividad, ¿la refuerzan o la aplastan? - no ha sido claro.

Ahora, los investigadores han demostrado computacionalmente por primera vez que estas rayas también existen a altas temperaturas, pero son sutiles y fluctúan de una manera que solo podría descubrirse a través de simulaciones numéricas por computadora de una precisión y escala nunca antes realizadas. Los científicos describieron su estudio en Ciencias hoy dia.

"Hay razones para pensar que las franjas de carga y giro pueden estar íntimamente ligadas a la aparición de superconductividad a alta temperatura en estos materiales, que fue descubierto hace 30 años pero hasta ahora no se entiende ni se explica, "dijo Edwin Huang, estudiante de posgrado en física en Stanford y en el Instituto de Ciencias de Materiales y Energía de Stanford (SIMES) en SLAC.

"Este descubrimiento de franjas fluctuantes en un modelo de computadora realista nos dará una manera de probar las muchas teorías sobre cómo las franjas están relacionadas con la superconductividad, ", Dijo Huang." Creemos que nuestros resultados serán útiles para los científicos que realizan estudios experimentales de estos materiales, y también ayudarán a desarrollar y refinar las técnicas computacionales que van de la mano con la teoría y los experimentos para impulsar el campo ".

Los resultados también se aplican a otros materiales novedosos, dijo el director de SIMES, Thomas Devereaux. "Los materiales que desarrollan espontáneamente este tipo de estructura no uniforme son bastante comunes, incluidos imanes y ferroeléctricos, ", dijo." Incluso se puede considerar como una firma de materiales 'cuánticos', cuyas sorprendentes propiedades son producidas por electrones que cooperan de formas inesperadas. Nuestros resultados numéricos demuestran que este fenómeno generalmente puede estar relacionado con fuertes interacciones entre cargas de electrones y espín ".

Un fenómeno misterioso

En conductores eléctricos convencionales, la corriente es transmitida por electrones que actúan individualmente. Pero en superconductores, los electrones se emparejan para transmitir corriente prácticamente sin pérdida.

Durante 75 años después de su descubrimiento, todos los superconductores conocidos operaban solo a temperaturas cercanas al cero absoluto, limitando la forma en que podrían usarse.

Eso cambió en 1986, cuando los científicos descubrieron que los cupratos podían superconducirse a temperaturas mucho más altas (aunque todavía bastante frías). De hecho, ciertos compuestos de cuprato son superconductores a temperaturas superiores a 100 kelvin, o menos 173 grados Celsius, permitiendo el desarrollo de tecnologías superconductoras que pueden enfriarse con nitrógeno líquido.

Pero los investigadores aún están lejos de su objetivo de encontrar superconductores que operen a temperaturas cercanas a la habitación para líneas eléctricas altamente eficientes. trenes de levitación magnética y otras aplicaciones que podrían tener un impacto profundo en la sociedad. Sin una comprensión fundamental de cómo funcionan los superconductores de alta temperatura, el progreso ha sido lento.

El modelado por computadora es una herramienta fundamental para lograr esa comprensión. Los modelos son conjuntos de ecuaciones matemáticas basadas en la física que los teóricos crean y refinan continuamente para simular el comportamiento de un material utilizando algoritmos informáticos. Verifican sus modelos con observaciones y resultados experimentales para asegurarse de que están en el camino correcto.

En este caso, el equipo modeló el comportamiento y las interacciones de los electrones en una de las capas de óxido de cobre de un cuprato, que es donde ocurre la física interesante, dijo el científico del personal de SIMES Brian Moritz. Los cálculos se realizaron en el grupo de supercomputadoras Sherlock de Stanford en SLAC y en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del DOE en Berkeley.

Los resultados estuvieron de acuerdo con los datos de los experimentos de dispersión de neutrones en una variedad de cupratos, los científicos dijeron, confirmando que sus simulaciones capturan con precisión la física electrónica de estos materiales.

Un modelo más preciso

Esta es la primera vez que se simula el comportamiento de los cupratos a altas temperaturas con un modelo realista que cubre un área lo suficientemente grande del material para ver franjas fluctuantes. Dijo Huang. Esta escala más grande también hace que los cálculos sean más precisos.

"Había un buen equilibrio que necesitábamos lograr, ", dijo." Estos son cálculos extremadamente exigentes desde el punto de vista computacional. Pero si simula el comportamiento de áreas más pequeñas, no podrá ver ninguna franja que emerja. Esa fue la principal limitación de los estudios anteriores ".

Las simulaciones muestran que las rayas emergen a temperaturas de hasta 600 grados Celsius y en una amplia gama de condiciones de dopaje. donde se agregan compuestos a un material para modificar su comportamiento electrónico, por lo que parecen ser un rasgo universal de los superconductores de cuprato, dijeron los investigadores.

"La idea de que hay franjas fluctuantes en los cupratos no es nueva, pero ha sido un tema controvertido durante muchos años, ", Dijo Huang." Lo nuevo aquí es que podemos respaldar su existencia utilizando un cálculo imparcial en un modelo realista de estos materiales ".

Una cosa que el estudio no hace, él agregó, Es responder a la pregunta de si las franjas fluctuantes se convierten en superconductividad o cómo:"Esa es la dirección hacia la que queremos dirigirnos".