Hasta hace unos 50 años, todos los superconductores conocidos eran metales. Esto tiene sentido porque los metales tienen la mayor cantidad de electrones "portadores" débilmente unidos que son libres de emparejarse y fluir como corriente eléctrica sin resistencia y con una eficiencia del 100 por ciento, el sello distintivo de la superconductividad.

Luego apareció uno extraño:titanato de estroncio, el primer material de óxido y el primer semiconductor son superconductores. A pesar de que no se ajusta al perfil clásico de un superconductor, tiene muy pocos electrones libres para vagar, se vuelve superconductor cuando las condiciones son adecuadas. aunque nadie pudo explicar por qué.

Ahora los científicos han probado el comportamiento superconductor de sus electrones en detalle por primera vez. Descubrieron que es aún más extraño de lo que pensaban. Sin embargo, son buenas noticias ellos dijeron, porque les da un nuevo ángulo para pensar en lo que se conoce como superconductividad de "alta temperatura", un fenómeno que podría aprovecharse para una futura generación de líneas eléctricas perfectamente eficientes, trenes levitando y otras tecnologías revolucionarias.

El equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford, describió su estudio en un artículo publicado el 30 de enero en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Si los superconductores metálicos convencionales se encuentran en un extremo de un espectro, El titanato de estroncio está completamente hacia abajo en el otro extremo. Tiene la densidad más baja de electrones disponibles de todos los superconductores que conocemos, "dijo Adrian Swartz, investigador postdoctoral en el Instituto Stanford de Ciencia de Materiales y Energía (SIMES) que dirigió la parte experimental de la investigación con Hisashi Inoue, un estudiante graduado de Stanford en ese momento.

"Es uno de una gran cantidad de materiales que llamamos superconductores 'no convencionales' porque no pueden ser explicados por las teorías actuales, ", Dijo Swartz." Al estudiar su comportamiento extremo, Esperamos obtener información sobre los ingredientes que conducen a la superconductividad en estos materiales no convencionales. incluidos los que operan a temperaturas más altas ".

Teorías de duelo

Según la teoría ampliamente aceptada conocida como BCS por las iniciales de sus inventores, La superconductividad convencional se desencadena por vibraciones naturales que se ondulan a través del entramado atómico de un material. Las vibraciones hacen que los electrones portadores se emparejen y se condensen en un superfluido, que fluye a través del material sin resistencia:una corriente eléctrica 100% eficiente. En esta imagen, el material superconductor ideal contiene una alta densidad de electrones de movimiento rápido, e incluso las vibraciones reticulares relativamente débiles son suficientes para unir pares de electrones.

Pero fuera de la teoría, en el ámbito de los superconductores no convencionales, nadie sabe qué pega los pares de electrones, y ninguna de las teorías en competencia prevalece.

Para encontrar pistas sobre lo que sucede dentro del titanato de estroncio, Los científicos tuvieron que descubrir cómo aplicar una herramienta importante para estudiar el comportamiento superconductor, conocida como espectroscopia de tunelización, a este material. Eso tomó varios años dijo Harold Hwang, profesor de SLAC y Stanford e investigador del SIMES.

"El deseo de hacer este experimento ha estado ahí durante décadas, pero ha sido un desafío técnico, ", dijo." Esto es, por lo que sé, el primer conjunto completo de datos que surge de un experimento de tunelización en este material ". Entre otras cosas, el equipo pudo observar cómo respondía el material al dopaje, un proceso de uso común en el que se agregan electrones a un material para mejorar su rendimiento electrónico.

'Todo está al revés'

Las mediciones de tunelización revelaron que el titanato de estroncio es exactamente lo contrario de lo que cabría esperar en un superconductor:sus vibraciones reticulares son fuertes y sus electrones portadores son pocos y lentos.

"Este es un sistema en el que todo está al revés, "Dijo Hwang.

Por otra parte, detalles como el comportamiento y la densidad de sus electrones y la energía requerida para formar el estado superconductor coinciden casi exactamente con lo que cabría esperar de la teoría BCS convencional, Dijo Swartz.

"Por lo tanto, El titanato de estroncio parece ser un superconductor no convencional que actúa como uno convencional en algunos aspectos, ", dijo." Esto es un gran enigma, y una gran sorpresa para nosotros. Descubrimos algo que era más confuso de lo que pensamos originalmente, que desde el punto de vista de la física fundamental es más profundo ".

Él agregó, "Si podemos mejorar nuestra comprensión de la superconductividad en este desconcertante conjunto de circunstancias, potencialmente podríamos aprender cómo cosechar los ingredientes para lograr la superconductividad a temperaturas más altas ".

El siguiente paso, Swartz dijo:es utilizar la espectroscopia de túnel para probar una serie de predicciones teóricas sobre por qué el titanato de estroncio actúa de esa manera.