Una ilustración que describe la teoría crítica de ruptura de pares de Del Maestro en nanocables. Los electrones dentro de un cable MoGe ultradelgado con un radio del orden de 10 nanómetros pueden emparejarse a bajas temperaturas (verde) y viajar de un contacto al otro sin resistencia en la fase superconductora. En presencia de un campo magnético que penetre en el cable, los miembros de los pares se desvían en direcciones opuestas (rosa y azul) y pueden chocar con los bordes del cable y romperse. A medida que aumenta la fuerza del campo, todos los pares se rompen, y el nanoalambre sufre una transición de fase de temperatura cero de un superconductor a un metal normal. En la transición, la conductividad del cable es un número universal que no depende de ningún detalle específico de la composición del cable o la dirección del campo. Crédito:Adrian Del Maestro
La lucha por mantener las bebidas frías durante el verano es una lección de las transiciones de fase clásicas. Para estudiar las transiciones de fase, aplique calor a una sustancia y observe cómo cambian sus propiedades. Agregue calor al agua y en el llamado "punto crítico, "Observe cómo se transforma en gas (vapor). Retire el calor del agua y observe cómo se convierte en un sólido (hielo).
Ahora, imagina que has enfriado todo a temperaturas muy bajas, tan bajas que todos los efectos térmicos se desvanecen. Bienvenido al reino cuántico, donde la presión y los campos magnéticos hacen que surjan nuevas fases en un fenómeno llamado transiciones de fase cuántica (QPT). Más que una simple transición de una fase a otra, QPT forman propiedades completamente nuevas, como la superconductividad, en ciertos materiales.
Aplicar voltaje a un metal superconductor, y los electrones viajan a través del material sin resistencia; la corriente eléctrica fluirá para siempre sin disminuir la velocidad ni producir calor. Algunos metales se vuelven superconductores a altas temperaturas, que tiene aplicaciones importantes en la transmisión de energía eléctrica y el procesamiento de datos basado en superconductores. Los científicos descubrieron el fenómeno hace 30 años, pero el mecanismo de la superconductividad sigue siendo un enigma porque la mayoría de los materiales son demasiado complejos para comprender la física QPT en detalle. Una buena estrategia sería mirar primero en sistemas de modelos menos complicados.
Ahora, Físicos y colaboradores de la Universidad de Utah han descubierto que los nanocables superconductores hechos de aleación de MoGe experimentan transiciones de fase cuántica de un estado superconductor a un metal normal cuando se colocan en un campo magnético creciente a bajas temperaturas. El estudio es el primero en descubrir el proceso microscópico por el cual el material pierde su superconductividad; el campo magnético rompe pares de electrones, llamados pares de Cooper, que interactúan con otros pares de Cooper y experimentan una fuerza de amortiguación de electrones no apareados presentes en el sistema.
Los hallazgos están completamente explicados por la teoría crítica propuesta por el coautor Adrian Del Maestro, profesor asociado de la Universidad de Vermont. La teoría describió correctamente cómo la evolución de la superconductividad depende de la temperatura crítica, magnitud y orientación del campo magnético, área de sección transversal de nanocables, y las características microscópicas del material de nanoalambres. Esta es la primera vez en el campo de la superconductividad que todos los detalles de QPT predichos por una teoría se confirmaron en objetos reales en el laboratorio.
"Las transiciones de fase cuántica pueden parecer realmente exóticas, pero se observan en muchos sistemas, desde el centro de las estrellas hasta el núcleo de los átomos, y desde imanes hasta aislantes, "dijo Andrey Rogachev, profesor asociado de la U y autor principal del estudio. "Al comprender las fluctuaciones cuánticas en este sistema más simple, podemos hablar de cada detalle del proceso microscópico y aplicarlo a objetos más complicados ".
El estudio, publicado en línea el 9 de julio, 2018 en Física de la naturaleza .
Este diagrama esquemático muestra la transición de fase cuántica de un metal superconductor a un metal normal a temperatura cero. A medida que aumenta la fuerza del campo magnético, la superconductividad se degrada hasta el punto crítico en el que el material se convierte en un metal normal. Crédito:Andrey Rogachev, adaptado de una figura en Física de la naturaleza 10.1038 / s41567-018-0179-8
Lo teórico se encuentra con lo experimental
Los físicos de la materia condensada estudian lo que sucede con los materiales cuando se elimina todo su calor de dos maneras:los físicos experimentales desarrollan materiales para probarlos en un laboratorio, mientras que los físicos teóricos desarrollan ecuaciones matemáticas para comprender el comportamiento físico. Esta investigación cuenta la historia de cómo la teoría y la experimental se informaron y motivaron mutuamente.
Como becario postdoctoral, Rogachev demostró que la aplicación de campos magnéticos a nanocables a bajas temperaturas distorsiona la superconductividad. Comprendió los efectos a temperaturas finitas, pero no llegó a ninguna conclusión sobre lo que sucede en el "punto crítico" donde falla la superconductividad. Su trabajo, sin embargo, inspiró al joven físico teórico Adrian Del Maestro, un estudiante de posgrado en Harvard en ese momento, desarrollar una teoría crítica completa de la transición de fase cuántica.
En la teoría de la "ruptura de pares" de Del Maestro, Es poco probable que los electrones individuales choquen con los bordes del cable más pequeño, ya que incluso una sola hebra de átomos es grande en comparación con el tamaño de un electrón. Pero, dijo Del Maestro, "Dos electrones que forman los pares responsables de la superconductividad pueden estar muy separados y ahora el tamaño a nanoescala del cable hace que sea más difícil para ellos viajar juntos". Luego agregue un poderoso campo magnético, que desenreda parejas al curvar sus caminos, y "los electrones son incapaces de conspirar para formar el estado superconductor, "dijo Del Maestro.
"Imagina que los bordes del cable y el campo magnético actúan como una fuerza de fricción que hace que los electrones no quieran emparejarse tanto, "dijo Del Maestro." Que la física debería ser universal. "Que es exactamente lo que muestran su teoría y el nuevo experimento.
"Solo unos pocos ingredientes clave, la dimensión espacial y la existencia de superconductividad, son esenciales al describir las propiedades emergentes de los electrones en las transiciones de fase cuántica, ", dijo. El asombroso acuerdo entre los valores de conductividad que predijo la teoría de Del Maestro hace más de una década y los valores medidos en el nuevo experimento establece un poderoso estándar para" la confirmación experimental de la universalidad cuántica, "Del Maestro dijo, "y subraya la importancia de la investigación en física fundamental".
Nanocables de última generación
Para probar la teoría de Del Maestro, Rogachev necesitaba nanocables casi unidimensionales, con diámetros inferiores a 20-30 nanómetros.
Imagen de microscopía electrónica de barrido de un nanoalambre similar a los utilizados en el estudio. Crédito:Andrey Rogachev, Hyujung Kim
"En física teórica, Los sistemas unidimensionales juegan un papel muy especial, ya que para ellos se puede desarrollar una teoría exacta ", dijo Rogachev." Sin embargo, los sistemas unidimensionales son notoriamente difíciles de manejar experimentalmente ".
Los nanocables de MoGe son el elemento crucial de todo el estudio. En sus días postdoctorales, Rogachev solo podía hacer tales cables de 100 nanómetros de largo, demasiado corto para probar el régimen crítico. Años después en la U, él y su entonces estudiante Hyunjeong Kim, autor principal del estudio, mejoró un método existente de litografía por haz de electrones para desarrollar una técnica de vanguardia.
El noventa y nueve por ciento de los físicos crean nanoestructuras utilizando un método llamado litografía por haz de electrones positivos (haz de electrones). Hacen brillar un haz de electrones sobre una película sensible a los electrones, luego retire la parte expuesta de la película para crear las estructuras necesarias. Muchos menos físicos utilizan la litografía con haz de electrones negativo, en el que dibujan su estructura con el rayo electrónico pero eliminan toda la película no expuesta. Este es el método que Kim compró al estado de la técnica, fabricar nanocables delgados con anchos inferiores a 10 nm.
"No es solo que los hacemos, pero podemos medirlos, ", dijo Rogachev." Muchas personas producen partículas realmente pequeñas, pero para poder ver realmente el transporte en estos cables, fue como desarrollar una nueva técnica ".
Para probar las transiciones de fase cuántica, Rogachev llevó los cables a Benjamin Sacépé y Frédéric Gay en el Institut Néel en Grenoble, donde su instalación es capaz de enfriar el material a 50 miliKelvin, aplicando un campo magnético de varias intensidades y midiendo la resistencia de los cables para describir cómo se descompone la superconductividad. Los colaboradores franceses agregaron al grupo años de experiencia en la medición precisa del transporte, técnicas de rechazo de ruido y física cuántica de superconductores bidimensionales.
"Después de décadas de intensa investigación, todavía estamos lejos de comprender completamente la superconductividad ", dice Tomasz Durakiewicz, director del programa de física de la materia condensada en la National Science Foundation, que cofinancia este trabajo. "Estos resultados hacen avanzar significativamente el campo al vincular estrechamente lo tangible, universo físico de nanocables y las transiciones de fase impulsadas por el campo que ocurren a escala cuántica. Al fusionar la teoría y la experimentación, el equipo pudo explicar la compleja relación entre conductividad y geometría, campos magnéticos y temperatura crítica, todo mientras propone una teoría de la criticidad cuántica que está en excelente acuerdo con las observaciones experimentales ".
Llevándolo a temperaturas más altas
Rogachev ahora se está preparando para probar nanocables hechos de cupratos. Los cupratos tienen una transición de fase cuántica entre un estado magnético y un estado normal, En el punto crítico, hay fluctuaciones cuánticas que, según varias teorías, promover la aparición de superconductividad. Los cupratos a menudo se denominan superconductores de alta temperatura porque pasan al estado superconductor a la temperatura récord de 90-155 K. en contraste con la temperatura crítica bastante pequeña de las aleaciones de MoGe a 3-7 K. Rogachev quiere hacer alambres de cupratos para comprender el mecanismo microscópico de la superconductividad de alta temperatura.
Otra vía que quiere explorar con sus colaboradores en Grenoble es la transición de fase cuántica en películas superconductoras.
"Ahora tenemos esta parte determinada de la física resuelta, podemos movernos a objetos más complicados donde básicamente no sabemos exactamente qué está pasando, " él dijo.
