En materiales superconductores, los electrones se emparejan y condensan en un estado cuántico que transporta corriente eléctrica sin pérdidas. Esto suele ocurrir a temperaturas muy bajas. Los científicos han realizado un esfuerzo total para desarrollar nuevos tipos de superconductores que funcionen cerca de la temperatura ambiente. lo que ahorraría enormes cantidades de energía y abriría una nueva ruta para diseñar la electrónica cuántica. Para llegar necesitan descubrir qué desencadena esta forma de superconductividad de alta temperatura y cómo hacer que suceda a pedido.

Ahora, en estudios independientes informados en Ciencias y Naturaleza , Los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford informan dos avances importantes:midieron las vibraciones colectivas de los electrones por primera vez y mostraron cómo las interacciones colectivas de los electrones con otros factores parecen impulsar la superconductividad.

Realizado con diferentes materiales a base de cobre y con diferentes técnicas de vanguardia, los experimentos presentan nuevos enfoques para investigar cómo operan los superconductores no convencionales.

"Básicamente, lo que estamos tratando de hacer es entender qué hace que un superconductor sea bueno, "dijo el coautor Thomas Devereaux, profesor en SLAC y Stanford y director de SIMES, el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, cuyos investigadores dirigieron ambos estudios.

"¿Cuáles son los ingredientes que podrían dar lugar a la superconductividad a temperaturas muy superiores a las actuales?" él dijo. "Estos y otros estudios recientes indican que la red atómica juega un papel importante, dándonos la esperanza de que estamos ganando terreno en la respuesta a esa pregunta ".

El rompecabezas de las altas temperaturas

Los superconductores convencionales se descubrieron en 1911, y los científicos saben cómo funcionan:los electrones que flotan libremente son atraídos por la red de átomos de un material, que tiene una carga positiva, de una manera que les permita emparejarse y fluir como corriente eléctrica con una eficiencia del 100 por ciento. Hoy dia, La tecnología superconductora se utiliza en máquinas de resonancia magnética. trenes maglev y aceleradores de partículas.

Pero estos superconductores funcionan solo cuando se enfrían a temperaturas tan frías como el espacio exterior. Entonces, cuando los científicos descubrieron en 1986 que una familia de materiales a base de cobre conocidos como cupratos pueden superconducir a niveles mucho más altos, aunque todavía bastante frío, temperaturas estaban eufóricos.

La temperatura de funcionamiento de los cupratos ha ido subiendo poco a poco desde entonces (el récord actual es de unos 120 grados Celsius por debajo del punto de congelación del agua) a medida que los científicos exploran una serie de factores que podrían aumentar o interferir con su superconductividad. Pero todavía no hay consenso sobre cómo funcionan los cupratos.

"La pregunta clave es cómo podemos hacer todos estos electrones, que se comportan mucho como individuos y no quieren cooperar con los demás, condensarse en un estado colectivo donde todas las partes participan y dar lugar a este notable comportamiento colectivo? ", dijo Zhi-Xun Shen, un profesor de SLAC / Stanford e investigador del SIMES que participó en ambos estudios.

Impulso entre bastidores

Uno de los nuevos estudios, en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, echó un vistazo sistemático a cómo el "dopaje" (agregar una sustancia química que cambia la densidad de electrones en un material) afecta la superconductividad y otras propiedades de un cuprato llamado Bi2212.

Investigadores colaboradores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas (AIST) de Japón prepararon muestras del material con niveles de dopaje ligeramente diferentes. Luego, un equipo dirigido por el investigador de SIMES Yu He y el científico del personal de SSRL Makoto Hashimoto examinaron las muestras en SSRL con espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo, o ARPES. Utiliza un potente haz de luz de rayos X para expulsar electrones individuales de un material de muestra para poder medir su impulso y energía. Esto revela lo que están haciendo los electrones en el material.

En este caso, a medida que aumentaba el nivel de dopaje, la temperatura máxima superconductora del material alcanzó su punto máximo y volvió a caer, Él dijo.

El equipo se centró en muestras con propiedades superconductoras particularmente sólidas. Descubrieron que tres efectos entrelazados:interacciones de electrones entre sí, con vibraciones de celosía y con la propia superconductividad:se refuerzan mutuamente en un bucle de retroalimentación positiva cuando las condiciones son adecuadas, impulsar la superconductividad y elevar la temperatura superconductora del material.

Pequeños cambios en el dopaje produjeron grandes cambios en la superconductividad y en la interacción de los electrones con las vibraciones de la red. Dijo Devereaux. El siguiente paso es averiguar por qué este nivel particular de dopaje es tan importante.

"Una teoría popular ha sido que, en lugar de que la red atómica sea la fuente del emparejamiento de electrones, como en los superconductores convencionales, los electrones de los superconductores de alta temperatura forman una especie de conspiración por sí mismos. Esto se llama correlación electrónica, "Yu He dijo". Por ejemplo, si tuvieras una habitación llena de electrones, ellos se esparcirían. Pero si algunos de ellos exigen más espacio individual, otros tendrán que apretarse más para acomodarlos ".

En este estudio, Él dijo, "Lo que encontramos es que la celosía tiene un papel detrás de escena después de todo, y es posible que hayamos pasado por alto un ingrediente importante para la superconductividad de alta temperatura durante las últimas tres décadas, "una conclusión que se relaciona con los resultados de una investigación anterior del grupo SIMES.

Electrones 'ondas sonoras'

El otro estudio, realizado en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia, utilizó una técnica llamada dispersión de rayos X inelástica resonante, o RIXS, para observar el comportamiento colectivo de los electrones en cupratos en capas conocidos como LCCO y NCCO.

RIXS excita electrones en el interior de los átomos con rayos X, y luego mide la luz que emiten cuando vuelven a asentarse en sus lugares originales.

En el pasado, la mayoría de los estudios se han centrado solo en el comportamiento de los electrones dentro de una sola capa de material de cuprato, donde se sabe que los electrones son mucho más móviles que entre capas, dijo el científico del personal de SIMES Wei-Sheng Lee. Dirigió el estudio con Matthias Hepting, que ahora se encuentra en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Alemania.

Pero en este caso, El equipo quería probar una idea planteada por los teóricos:que la energía generada por los electrones en una capa que repele los electrones en la siguiente juega un papel fundamental en la formación del estado superconductor.

Cuando se excita con la luz, esta energía de repulsión lleva a los electrones a formar una onda de sonido distintiva conocida como plasmón acústico, lo que predicen los teóricos podría explicar hasta el 20 por ciento del aumento en la temperatura superconductora que se observa en los cupratos.

Con lo último en tecnología RIXS, el equipo SIMES pudo observar y medir esos plasmones acústicos.

"Aquí vemos por primera vez cómo los plasmones acústicos se propagan por toda la red, "Dijo Lee." Si bien esto no resuelve la cuestión de dónde proviene la energía necesaria para formar el estado superconductor, nos dice que la estructura en capas en sí afecta la forma en que se comportan los electrones de una manera muy profunda ".

Esta observación prepara el escenario para futuros estudios que manipulen las ondas sonoras con luz, por ejemplo, de una manera que mejore la superconductividad, Dijo Lee. Los resultados también son relevantes para el desarrollo de la futura tecnología plasmónica, él dijo, con una gama de aplicaciones desde sensores hasta dispositivos fotónicos y electrónicos para comunicaciones.