Los superconductores de alta temperatura tienen el potencial de transformar todo, desde la transmisión de electricidad y la generación de energía hasta el transporte.

Los materiales, en el que los pares de electrones viajan sin fricción, lo que significa que no se pierde energía a medida que se mueven, podría mejorar drásticamente la eficiencia energética de los sistemas eléctricos.

Comprender cómo se mueven los electrones a través de estos materiales complejos podría, en última instancia, ayudar a los investigadores a diseñar superconductores que funcionen a temperatura ambiente. expandiendo drásticamente su uso.

Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, poco se sabe acerca de la compleja interacción entre el espín y la carga de los electrones dentro de materiales superconductores como los cupratos, o materiales que contienen cobre.

Ahora, en un artículo publicado hoy en la revista Ciencias , Los investigadores del MIT han presentado un nuevo sistema en el que los átomos ultrafríos se utilizan como modelo para los electrones dentro de materiales superconductores.

Los investigadores, dirigido por Martin Zwierlein, el profesor de física Thomas A. Frank en el MIT, han utilizado el sistema, que describen como un "emulador cuántico, "para realizar el modelo de Fermi-Hubbard de partículas que interactúan dentro de una red.

El modelo de Fermi-Hubbard, que se cree que explica la base de la superconductividad de alta temperatura, es extremadamente simple de describir, y, sin embargo, hasta ahora ha resultado imposible de resolver, según Zwierlein.

"El modelo es solo átomos o electrones saltando en una red, y luego, cuando están uno encima del otro en el mismo sitio de celosía, ellos pueden interactuar, ", dice." Pero aunque este es el modelo más simple de electrones que interactúan dentro de estos materiales, no hay computadora en el mundo que pueda resolverlo ".

Así que en vez, los investigadores han construido un emulador físico en el que los átomos actúan como sustitutos de los electrones.

Para construir su emulador cuántico, los investigadores utilizaron rayos láser que interfieren entre sí para producir una estructura cristalina. Luego confinaron alrededor de 400 átomos dentro de esta red óptica, en una caja cuadrada.

Cuando inclinan la caja aplicando un gradiente de campo magnético, son capaces de observar los átomos mientras se mueven, y medir su velocidad, dándoles la conductividad del material, Dice Zwierlein.

"Es una plataforma maravillosa. Podemos observar cada átomo individualmente a medida que se mueve, que es único; no podemos hacer eso con electrones, ", dice." Con los electrones sólo se pueden medir cantidades medias ".

El emulador permite a los investigadores medir el transporte, o movimiento, del giro de los átomos, y cómo esto se ve afectado por la interacción entre los átomos dentro del material. Medir el transporte de centrifugado no ha sido posible hasta ahora en cupratos, Como los esfuerzos han sido inhibidos por impurezas dentro de los materiales y otras complicaciones, Dice Zwierlein.

Midiendo el movimiento de giro, los investigadores pudieron investigar en qué se diferencia de la carga.

Dado que los electrones llevan su carga y giran con ellos a medida que se mueven a través de un material, el movimiento de las dos propiedades debe estar esencialmente bloqueado, Dice Zwierlein.

Sin embargo, la investigación demuestra que este no es el caso.

"Demostramos que los giros pueden difundirse mucho más lentamente que la carga en nuestro sistema, " él dice.

Luego, los investigadores estudiaron cómo la fuerza de las interacciones entre los átomos afecta qué tan bien puede fluir el espín, según el estudiante graduado del MIT Matthew Nichols, el autor principal del artículo.

"Descubrimos que las interacciones grandes pueden limitar los mecanismos disponibles que permiten que los giros se muevan en el sistema, de modo que el flujo de espín se ralentiza significativamente a medida que aumentan las interacciones entre los átomos, "Dice Nichols.

Cuando compararon sus mediciones experimentales con cálculos teóricos de última generación realizados en una computadora clásica, encontraron que las fuertes interacciones presentes en el sistema dificultaban mucho los cálculos numéricos precisos.

"Esto demostró la fuerza de nuestro sistema de átomos ultrafríos para simular aspectos de otro sistema cuántico, los materiales de cuprato, y superar lo que se puede hacer con una computadora clásica, "Dice Nichols.

Las propiedades de transporte en materiales fuertemente correlacionados son generalmente muy difíciles de calcular usando computadoras clásicas, y algunos de los más interesantes y prácticamente relevante, materiales como los superconductores de alta temperatura todavía no se conocen bien, dice Zoran Hadzibabic, profesor de física en la Universidad de Cambridge, que no participó en la investigación.

"(Los investigadores) estudian el transporte de espín, que no solo es difícil de calcular, pero también experimentalmente extremadamente difícil de estudiar en materiales convencionales fuertemente correlacionados, y así proporcionar una visión única de las diferencias entre el transporte de carga y giro, "Dice Hadzibabic.

Complementario al trabajo del MIT sobre transporte de espirales, el transporte de carga fue medido por el grupo del profesor Waseem Bakr en la Universidad de Princeton, dilucidando en el mismo número de Ciencias cómo la conductividad de la carga depende de la temperatura.

El equipo del MIT espera realizar más experimentos utilizando el emulador cuántico. Por ejemplo, dado que el sistema permite a los investigadores estudiar el movimiento de átomos individuales, esperan investigar en qué se diferencia el movimiento de cada uno del promedio, estudiar el "ruido" actual a nivel atómico.

"Hasta ahora hemos medido la corriente media, pero lo que también nos gustaría hacer es observar el ruido del movimiento de las partículas; algunos son un poco más rápidos que otros, por lo que hay una distribución completa de la que podemos aprender, "Dice Zwierlein.

Los investigadores también esperan estudiar cómo cambia el transporte con la dimensionalidad al pasar de una hoja bidimensional de átomos a un cable unidimensional.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.