Cuando se trata de superconductores de alta temperatura, "alto" es un término relativo. En el campo de la superconductividad, "alta temperatura" significa cualquier cosa que aún pueda ser superconductora por encima de los 30 grados Kelvin (K), o un agradable -405 grados Fahrenheit (F).
El primer superconductor de alta temperatura se descubrió en 1986, en compuestos cerámicos de cobre y oxígeno conocidos como cupratos. Estos materiales podrían alcanzar una superconductividad de alrededor de 35 grados Kelvin o -396,67 grados Fahrenheit. En las siguientes décadas, ese límite de temperatura aumentó y, hasta la fecha, Los investigadores han logrado superconductividad en cupratos a temperaturas de hasta 135 grados Kelvin.
Es un progreso importante para estar seguro, pero superconductividad a temperatura ambiente, que requiere operación a 300 grados Kelvin, todavía está muy lejos, si no imposible.
Uno de los mayores obstáculos es que los investigadores aún no comprenden los mecanismos subyacentes completos de la superconductividad de cuprato y por qué existe tal variabilidad en la temperatura de transición superconductora entre los compuestos de cuprato.
Ahora, Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson pueden tener la respuesta. Los investigadores, dirigido por Xin Li, Profesor Asistente de Ciencia de Materiales en SEAS, encontró que la fuerza de un enlace químico particular en los compuestos de cuprato impacta la temperatura a la que el material alcanza la superconductividad.
La investigación se publica en Cartas de revisión física .
"Este podría ser un nuevo comienzo para el diseño de materiales con superconductividad de alta temperatura, ", dijo Li." Nuestra investigación arroja luces sobre un componente clave de los complicados fenómenos de los cupratos y nos apunta en una nueva y emocionante dirección para el diseño de materiales ".
Todos los cupratos tienen los mismos bloques de construcción estructurales:planos en capas de peróxido de cobre (CuO 2 ) con un ion de oxígeno fuera del plano, conocido como el oxígeno apical. Este ion de oxígeno se encuentra sobre cada átomo de cobre en el CuO. 2 plano, como una boya en la superficie del agua. La diferencia clave entre los compuestos de cuprato proviene de qué otro elemento está unido a la boya de oxígeno. Este elemento se conoce como catión apical y puede ser una variedad de elementos, incluido el lantano, bismuto, cobre, o mercurio.
La temperatura a la que el material se vuelve superconductor cambia según el elemento que se utilice, pero nadie sabe realmente por qué.
Comparando simulación y experimentos, Li y su equipo demostraron que la clave es el vínculo entre el catión apical y el oxígeno apical:cuanto más fuerte es el vínculo químico, la temperatura más alta a la que el material se vuelve superconductor.
Pero, ¿por qué este enlace eleva las temperaturas superconductoras?
Los superconductores a menudo se describen como superautopistas de electrones, o carriles de supercarpool, en el que los electrones emparejados son coches y el material superconductor es el especial, Carretera sin fricción para que los coches se muevan.
Sin embargo, los electrones no se mueven realmente a través de un superconductor de alta temperatura como un automóvil en una carretera. En lugar de, ellos brincan. Este proceso de salto se hace mucho más fácil cuando la red cristalina sobre la que se mueven los electrones oscila de una manera particular.
Un fuerte enlace químico entre el anión apical y el catión apical aumenta la oscilación tanto de la red como de la corriente eléctrica inducida.
Imagine una cometa atada a una boya y muchas de estas unidades de boya-cometa se alinean. Si el vínculo entre la cometa y la boya es fuerte, la cometa puede tirar de la boya hacia arriba y hacia abajo, provocando ondulaciones y salpicaduras en el agua. Las ondulaciones son similares a la oscilación de la red y las salpicaduras representan los electrones que son expulsados del CuO. 2 plano. Las ondas y las salpicaduras no son caóticas, bastante, cooperan siguiendo ciertas reglas que les dicen a las boyas cómo oscilar de la mejor manera para ayudar al electrón a saltar fácilmente a lo largo del material.
"Demostramos que esta unidad estructural, la capa de oxígeno de cobre, el anión apical, y el catión apical:es un bloque de construcción fundamental que puede acoplarse dinámicamente para controlar las propiedades superconductoras del material, ", dijo Li." Esto abre una vía completamente nueva para explorar las propiedades superconductoras de los materiales ".
Próximo, los investigadores tienen como objetivo explorar cómo este efecto novedoso afecta nuestra comprensión del misterioso diagrama de fase en superconductores de alta temperatura, incluido el mecanismo de emparejamiento en estos superconductores.
