Una teoría de 2017 propuesta por físicos de la Universidad de Rice para explicar el comportamiento contradictorio de un superconductor de alta temperatura a base de hierro está ayudando a resolver un rompecabezas en un tipo diferente de superconductor no convencional. el compuesto de "fermiones pesados" conocido como CeCu ₂ Si ₂ .

Un equipo internacional de EE. UU., Porcelana, Alemania y Canadá informaron los hallazgos esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS). El estudio se centró en un cerio, compuesto de cobre y silicio cuyo extraño comportamiento en 1979 ayudó a marcar el comienzo del campo multidisciplinario de los materiales cuánticos.

Ese año, un equipo dirigido por Frank Steglich del Instituto Max Planck, un coautor en el PNAS papel, encontró que CeCu ₂ Si ₂ se convirtió en un superconductor a temperaturas extremadamente frías. El mecanismo de la superconductividad no podría explicarse con la teoría existente, y el hallazgo fue tan inesperado e inusual que muchos físicos inicialmente se negaron a aceptarlo. El descubrimiento de 1986 de la superconductividad a temperaturas aún más altas en cerámicas de cobre cristalizó el interés en el campo y llegó a dominar la carrera de físicos teóricos como Qimiao Si de Rice. a PNAS coautor del estudio y profesor de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Wiess.

Si, cuya colaboración de décadas con Steglich ha llevado a casi dos docenas de estudios revisados ​​por pares, dijo, "En mis sueños más salvajes, No había pensado que la teoría que propusimos para los superconductores a base de hierro volvería a la otra parte de mi vida, que son los superconductores de fermiones pesados ​​".

Fermiones pesados, como superconductores de alta temperatura, son lo que los físicos llaman materiales cuánticos debido al papel clave que juegan las fuerzas cuánticas en su comportamiento. En superconductores de alta temperatura, por ejemplo, los electrones forman pares y fluyen sin resistencia a temperaturas considerablemente más cálidas que las necesarias para la superconductividad convencional. En fermiones pesados, los electrones parecen ser miles de veces más masivos de lo que deberían.

En 2001, Si, quien también dirige el Rice Center for Quantum Materials (RCQM), ofreció una teoría pionera de que estos fenómenos surgen en puntos críticos de transición, puntos de inflexión donde los cambios de presión u otras condiciones provocan una transición de un estado cuántico a otro. En el punto de inflexión o "punto crítico cuántico, "Los electrones pueden desarrollar una especie de personalidad dividida cuando intentan cruzar la línea entre estados.

El caso de la superconductividad ilustra cómo se puede desarrollar esto. En un alambre de cobre normal, La resistencia eléctrica surge cuando los electrones que fluyen se empujan y chocan contra los átomos en el cable. Cada golpe cuesta una pequeña cantidad de energía, que se pierde con el calor. En superconductores, los electrones evitan esta pérdida emparejándose y fluyendo al unísono, sin golpes.

Debido a que los electrones se encuentran entre las partículas subatómicas más antisociales, se repelen y se emparejan sólo en circunstancias extraordinarias. En el caso de los superconductores convencionales, pequeñas variaciones en el espacio entre átomos en un cable sobreenfriado pueden inducir a los electrones a un matrimonio de conveniencia. El mecanismo de los superconductores no convencionales es diferente.

"Nuestro entendimiento unificador es que si dos electrones trabajan muy duro para repelerse entre sí, todavía puede haber una fuerza atractiva, "Si dijo." Si me mudo porque no me gusta estar cerca de ti, y tu estas haciendo lo mismo, y sin embargo, no podemos estar muy separados se convierte en una especie de danza. Los pares de superconductores de alta temperatura se mueven entre sí, no como dos parejas de baile que giran, incluso mientras se mueven juntos por la pista de baile ".

La teoría de 2017 presentada por Si y el entonces estudiante de posgrado Emilian Nica, ahora un asociado de investigación postdoctoral en el Instituto de Materiales Cuánticos de la Universidad de Columbia Británica, postuló que el emparejamiento selectivo dentro de los orbitales atómicos podría explicar algunos resultados experimentales desconcertantes de algunos de los superconductores de temperatura más alta, seleniuros de hierro alcalino.

Algunos experimentos habían demostrado que los pares de seleniuros de hierro alcalino se comportaban como si tuvieran un momento angular de cero, a la que los físicos se refieren con el término onda s, mientras que otros experimentos indicaron que los pares tenían un momento angular de dos, que los físicos llaman onda d. Esta diferencia es profunda porque el momento angular es un identificador fundamental para los electrones. Así como las manzanas y las naranjas se encuentran en diferentes contenedores en la tienda de comestibles, Los emparejamientos de ondas s y ondas d no se mezclan y se encuentran en diferentes materiales.

"Lo que introdujo la tesis de Nica fue que se puede tener un estado superconductor en el que los pares de electrones asociados con un orbital de una subcapa son muy diferentes de los de otro orbital estrechamente relacionado en la misma subcapa porque tienen un signo opuesto, "Si dijo.

"La razón por la que propusimos este estado de emparejamiento multiorbital fue porque las mediciones de algunas cosas, como respuestas magnéticas, mostraría que los seleniuros de hierro alcalino tenían características canónicas de onda D, y otras medidas, como una fotoemisión de resolución angular, revelaron atributos asociados con superconductores de ondas S.

"Los experimentos en el superconductor a base de hierro ya se habían realizado, y ofrecimos una explicación, un estado de emparejamiento estable y robusto, y, sin embargo, tenía todas estas propiedades aparentemente contradictorias que se observaron experimentalmente ".

Cuando los experimentos de 2017 en Japón revelaron algunas propiedades desconcertantes en CeCu ₂ Si ₂ , Si le dijo a Steglich que la teoría selectiva orbital podría explicarlos. Juntos, unieron fuerzas con el equipo experimental del físico Huiqiu Yuan, subdirector del Centro de Asuntos Correlacionados de la Universidad de Zhejiang en Hangzhou, Porcelana, para probar la idea.

La teoría de Si y Nica predijo que los experimentos revelarían un conjunto específico de medidas aparentemente contradictorias de CeCu2Si2, siempre que el material pueda enfriarse a una temperatura incluso más fría que el punto de inflexión que produce la superconductividad. El grupo de Yuan realizó los experimentos y confirmó la predicción.

"La evidencia histórica siempre ha sido que el emparejamiento en este material es d-wave, "Nica dijo." Pero los experimentos confirmaron que de hecho, a pesar de toda la abrumadora evidencia de que es una onda d, tiene una característica llamada "huecos completamente abiertos" que normalmente se asocia con superconductores de onda S. La nuestra es la única teoría ofrecida hasta ahora que puede explicar esto ".

Si dijo, "Es enormemente satisfactorio en varios niveles. Uno es que, si bien la física de la materia condensada ofrece muchos materiales que pueden albergar propiedades fascinantes, en última instancia, buscamos principios unificadores, especialmente como teóricos. He buscado activamente estos principios unificadores durante años, pero no buscábamos activamente una explicación unificadora cuando propusimos esta teoría. Para verlo aplicado, a tal efecto, en otro escenario completamente inesperado fue una verdadera sorpresa ".