Imagine teléfonos y computadoras portátiles que nunca se calientan o redes eléctricas que nunca pierden energía. Este es el sueño de los científicos que trabajan con los llamados superconductores de alta temperatura, que puede transportar corrientes eléctricas sin esfuerzo y sin resistencia. Los primeros materiales superconductores de alta temperatura, llamados cupratos, fueron descubiertos en la década de 1980 y luego serían objeto de un Premio Nobel. El término "alta temperatura" es relativo:estos materiales operan a temperaturas heladas de hasta menos 135 grados Celsius, un poco más alto que sus contrapartes tradicionales, que funcionan a temperaturas aún más frías cercanas al cero absoluto (menos 273 grados Celsius).

A pesar de que los superconductores de alta temperatura se descubrieron hace tres décadas, los investigadores todavía están rascándose la cabeza sobre cómo funcionan los materiales. Los científicos saben que la respuesta está relacionada con los electrones que se unen en pares, como si estuvieran pegados, pero se desconoce la naturaleza del "pegamento" de electrones que los une. Identificar el pegamento podría conducir en última instancia a la creación de materiales superconductores a temperatura ambiente y allanar el camino para computadoras que ahorran energía y una serie de otras innovaciones. como trenes levitando.

Granate Chan de Caltech, Bren Profesor de Química, está intentando resolver el problema con un enfoque ligeramente diferente:la química cuántica. Él y sus colegas desarrollan simulaciones numéricas que, usando las ecuaciones de la mecánica cuántica, trazar un mapa de los movimientos fluidos de los electrones en varios materiales. En un nuevo artículo de la revista Ciencias , han demostrado que los materiales superconductores de alta temperatura se ordenan a sí mismos en un patrón rayado de cargas, lo que Chan y sus colegas llaman "ríos de carga", justo antes de que se conviertan en superconductores. Realizando simulaciones numéricas increíblemente precisas, Chan y sus colaboradores pudieron descartar todos los demás patrones de cargos candidatos a favor del estado rayado.

Examinaron más a fondo lo que sucede cuando las rayas se aprietan juntas, un escenario que probablemente ocurra a partir de las fluctuaciones naturales de los patrones, y descubrió que los electrones se emparejaban espontáneamente. En otras palabras, los ríos de carga están estrechamente relacionados con el pegamento de electrones buscado durante mucho tiempo. Este hallazgo constituye una pista significativa en la carrera por resolver el problema de la superconductividad a alta temperatura.

"Me gustan los problemas en los que la gente se ha golpeado la cabeza durante décadas, y creo que muchos científicos estarían de acuerdo en que la superconductividad a alta temperatura es probablemente uno de los fenómenos más desconcertantes que se observan en los materiales, ", dice Chan." Aunque la posibilidad de comportamiento rayado se había planteado anteriormente, era sólo uno entre una multitud de patrones competitivos candidatos. Es más, la gente no tenía idea de si tales rayas eran buenas para la superconductividad o si de hecho mataban al estado superconductor. Nuestros resultados no solo muestran que las rayas son reales, sino que tienen una conexión íntima con la forma en que surge la superconductividad ".

En el nuevo estudio, Chan y colaboradores de múltiples instituciones utilizaron cuatro tipos muy diferentes de métodos numéricos para simular materiales superconductores de alta temperatura. En general, Los científicos describen estos materiales utilizando el modelo de Hubbard, un modelo matemático desarrollado en la década de 1960 que explica el comportamiento electrónico de muchos materiales, en particular los que exhiben superconductividad a alta temperatura. Aunque las ecuaciones del modelo de Hubbard son relativamente simples, resolverlos para determinar el comportamiento de los electrones requiere potencia de cálculo. Ahí es donde los nuevos métodos numéricos ayudaron:predijeron cómo se organizan los electrones en los materiales con una precisión mejorada, y demostraron que las cargas se organizan espontáneamente en patrones de rayas.

"Hemos proporcionado una solución numérica definitiva a uno de los modelos más importantes de la física de la materia condensada, que tiene fuertes conexiones con superconductividad de alta temperatura, "dice Bo-Xiao Zheng, autor principal del estudio y ex estudiante de doctorado en Caltech y Princeton. "Y lo que es más, utilizamos cuatro simulaciones numéricas independientes para llegar a la misma conclusión, una verificación cruzada necesaria dados los comportamientos complejos posibles en estos materiales ".

"Esto coloca una pieza importante en el rompecabezas de cómo funcionan los superconductores de alta temperatura, "dice Chan". A su vez, esto proporciona optimismo de que algún día será posible una comprensión completa ".