Un equipo de científicos ha detectado un estado oculto de orden electrónico en un material en capas que contiene lantano, bario, cobre, y oxígeno (LBCO). Cuando se enfría a una cierta temperatura y con ciertas concentraciones de bario, Se sabe que LBCO conduce electricidad sin resistencia, pero ahora hay evidencia de que también ocurre un estado superconductor por encima de esta temperatura. Solo era cuestión de utilizar la herramienta adecuada; en este caso, pulsos de luz infrarroja de alta intensidad para poder verlo.

Informado en un artículo publicado en la edición del 2 de febrero de Ciencias , El hallazgo del equipo proporciona más información sobre el misterio de décadas de superconductividad en LBCO y compuestos similares que contienen capas de cobre y oxígeno intercaladas entre otros elementos. Estos "cupratos" se vuelven superconductores a temperaturas relativamente más altas que los superconductores tradicionales, que deben congelarse casi al cero absoluto (menos 459 grados Fahrenheit) antes de que sus electrones puedan fluir a través de ellos con una eficiencia del 100 por ciento. Comprender por qué los cupratos se comportan de la manera en que lo hacen podría ayudar a los científicos a diseñar mejores superconductores de alta temperatura. eliminar el costo de los costosos sistemas de enfriamiento y mejorar la eficiencia de la generación de energía, transmisión, y distribución. Imagine computadoras que nunca se calientan y redes eléctricas que nunca pierden energía.

"El objetivo final es lograr la superconductividad a temperatura ambiente, "dijo John Tranquada, un físico y líder del Grupo de Dispersión de Neutrones en el Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), donde ha estado estudiando cupratos desde la década de 1980. "Si queremos hacerlo por diseño, tenemos que averiguar qué características son esenciales para la superconductividad. Descubrir esas características en materiales tan complicados como los cupratos no es una tarea fácil ".

Los planos de cobre-oxígeno de LBCO contienen "franjas" de carga eléctrica separadas por un tipo de magnetismo en el que los giros del electrón alternan en direcciones opuestas. Para que LBCO se convierta en superconductor, los electrones individuales en estas franjas deben poder emparejarse y moverse al unísono por todo el material.

Experimentos anteriores demostraron que, por encima de la temperatura a la que el LBCO se vuelve superconductor, La resistencia ocurre cuando el transporte eléctrico es perpendicular a los planos pero es cero cuando el transporte es paralelo. Los teóricos propusieron que este fenómeno podría ser la consecuencia de una modulación espacial inusual de la superconductividad, con la amplitud del estado superconductor oscilando de positivo a negativo al pasar de una franja de carga a la siguiente. El patrón de rayas gira 90 grados de capa a capa, y pensaron que esta orientación relativa estaba bloqueando que los pares de electrones superconductores se movieran coherentemente entre las capas.

"Esta idea es similar a pasar luz a través de un par de polarizadores ópticos, como las lentes de ciertas gafas de sol, "dijo Tranquada." Cuando los polarizadores tienen la misma orientación, pasan la luz, pero cuando su orientación relativa se gira a 90 grados, bloquean toda la luz ".

Sin embargo, una prueba experimental directa de esta imagen había faltado, hasta ahora.

Uno de los desafíos es sintetizar los grandes Se necesitan monocristales de LBCO de alta calidad para realizar experimentos. "Se necesitan dos meses para hacer crecer un cristal, y el proceso requiere un control preciso de la temperatura, atmósfera, composición química, y otras condiciones, "dijo la coautora Genda Gu, físico del grupo de Tranquada. Gu usó un horno de imagen infrarroja, una máquina con dos lámparas brillantes que enfocan la luz infrarroja en una varilla cilíndrica que contiene el material de partida. calentándolo a casi 2500 grados Fahrenheit y haciendo que se derrita, en su laboratorio de crecimiento de cristales para hacer crecer los cristales de LBCO.

Los colaboradores del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia y la Universidad de Oxford luego dirigieron la luz infrarroja, generado a partir de pulsos láser de alta intensidad, en los cristales (con la polarización de la luz en una dirección perpendicular a los planos) y midió la intensidad de la luz reflejada desde la muestra. Además de la respuesta habitual (los cristales reflejaban la misma frecuencia de luz que se envió) los científicos detectaron una señal tres veces mayor que la frecuencia de esa luz incidente.

"Para muestras con superconductividad tridimensional, la firma superconductora se puede ver tanto en la frecuencia fundamental como en el tercer armónico, "dijo Tranquada." Para una muestra en la que las franjas de carga bloquean la corriente superconductora entre capas, no hay firma óptica en la frecuencia fundamental. Sin embargo, al desequilibrar el sistema con la luz infrarroja intensa, los científicos indujeron un acoplamiento neto entre las capas, y la firma superconductora aparece en el tercer armónico. Habíamos sospechado que el emparejamiento de electrones estaba presente; solo se necesitaba una herramienta más fuerte para sacar a la luz esta superconductividad ".

Los teóricos de la Universidad de Hamburgo apoyaron esta observación experimental con análisis y simulaciones numéricas de la reflectividad.

Esta investigación proporciona una nueva técnica para sondear diferentes tipos de órdenes electrónicas en superconductores de alta temperatura, y la nueva comprensión puede ser útil para explicar otros comportamientos extraños en los cupratos.