Los científicos que buscaban comprender el mecanismo subyacente a la superconductividad en los cupratos "ordenados en franjas" (materiales de óxido de cobre con áreas alternas de carga eléctrica y magnetismo) descubrieron un estado metálico inusual al intentar desactivar la superconductividad. Descubrieron que, en las condiciones de su experimento, incluso después de que el material pierde su capacidad para transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía, retiene algo de conductividad y posiblemente los pares de electrones (o huecos) necesarios para su superpotencia superconductora.

"Este trabajo proporciona evidencia circunstancial de que la disposición ordenada por franjas de las cargas y el magnetismo es buena para formar los pares carga-portador necesarios para que surja la superconductividad, "dijo John Tranquada, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU.

Tranquada y sus coautores del Laboratorio Brookhaven y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida, donde se hizo parte del trabajo, describir sus hallazgos en un artículo recién publicado en Avances de la ciencia . Un artículo relacionado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias por el coautor Alexei Tsvelik, un teórico en Brookhaven Lab, proporciona información sobre los fundamentos teóricos de las observaciones.

Los científicos estaban estudiando una formulación particular de óxido de cobre y bario de lantano (LBCO) que exhibe una forma inusual de superconductividad a una temperatura de 40 Kelvin (-233 grados Celsius). Eso es relativamente cálido en el ámbito de los superconductores. Los superconductores convencionales deben enfriarse con helio líquido a temperaturas cercanas a los -273 ° C (0 Kelvin o cero absoluto) para transportar corriente sin pérdida de energía. Comprender el mecanismo detrás de tal superconductividad de "alta temperatura" podría guiar el descubrimiento o el diseño estratégico de superconductores que operan a temperaturas más altas.

"En principio, Dichos superconductores podrían mejorar la infraestructura de energía eléctrica con líneas de transmisión de energía sin pérdida de energía, "Tranquada dijo, "o utilizarse en potentes electroimanes para aplicaciones como imágenes por resonancia magnética (IRM) sin la necesidad de un costoso enfriamiento".

El misterio de la alta Tc

LBCO fue el primer superconductor de alta temperatura (alta Tc) descubierto, hace unos 33 años. Consiste en capas de óxido de cobre separadas por capas compuestas de lantano y bario. El bario aporta menos electrones que el lantano a las capas de óxido de cobre, así que en una proporción particular, el desequilibrio deja vacantes de electrones, conocido como agujeros, en los planos de cuprato. Esos agujeros pueden actuar como portadores de carga y emparejarse, al igual que los electrones, y a temperaturas inferiores a 30 K, la corriente puede moverse a través del material sin resistencia en tres dimensiones, tanto dentro como entre las capas.

Una característica extraña de este material es que, en las capas de óxido de cobre, a la concentración particular de bario, los agujeros se segregan en "franjas" que se alternan con áreas de alineación magnética. Desde este descubrimiento, en 1995, Ha habido mucho debate sobre el papel que juegan estas rayas en la inducción o inhibición de la superconductividad.

En 2007, Tranquada y su equipo descubrieron la forma más inusual de superconductividad en este material a la temperatura más alta de 40K. Si alteraron la cantidad de bario para que estuviera justo por debajo de la cantidad que permitía la superconductividad 3-D, observaron superconductividad 2-D, es decir, solo dentro de las capas de óxido de cobre, pero no entre ellas.

"Las capas superconductoras parecen desacoplarse entre sí, "Tsvelik, el teórico, dijo. La corriente aún puede fluir sin pérdida en cualquier dirección dentro de las capas, pero hay resistividad en la dirección perpendicular a las capas. Esta observación se interpretó como una señal de que los pares de carga-portador estaban formando "ondas de densidad de pares" con orientaciones perpendiculares entre sí en las capas vecinas. "Es por eso que los pares no pueden saltar de una capa a otra. Sería como intentar fusionarse con el tráfico que se mueve en una dirección perpendicular. No pueden fusionarse, "Dijo Tsvelik.

Las rayas superconductoras son difíciles de matar

En el nuevo experimento, los científicos se sumergieron más profundamente en la exploración de los orígenes de la inusual superconductividad en la formulación especial de LBCO al tratar de destruirlo. "Muchas veces probamos cosas empujándolas al fracaso, "Dijo Tranquada. Su método de destrucción fue exponer el material a poderosos campos magnéticos generados en el estado de Florida.

"A medida que el campo externo crece, la corriente en el superconductor crece cada vez más para tratar de cancelar el campo magnético, Tranquada explicó. Pero hay un límite para la corriente que puede fluir sin resistencia. Encontrar ese límite debería decirnos algo sobre qué tan fuerte es el superconductor ".

Por ejemplo, si las franjas de orden de carga y magnetismo en LBCO son malas para la superconductividad, un modesto campo magnético debería destruirlo. "Pensamos que tal vez la carga se congelaría en las rayas para que el material se convirtiera en un aislante, "Dijo Tranquada.

Pero la superconductividad resultó ser mucho más robusta.

Usando cristales perfectos de LBCO cultivados por el físico Genda Gu de Brookhaven, Yangmu Li, un becario postdoctoral que trabaja en el laboratorio de Tranquada, tomó medidas de la resistencia y conductividad del material en diversas condiciones en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético. A una temperatura justo por encima del cero absoluto sin campo magnético presente, el material expuesto completo, Superconductividad 3-D. Manteniendo la temperatura constante, los científicos tuvieron que aumentar significativamente el campo magnético externo para hacer desaparecer la superconductividad 3-D. Aún más sorprendente, cuando aumentaron aún más la intensidad del campo, ¡la resistencia dentro de los planos de óxido de cobre volvió a bajar a cero!

"Vimos la misma superconductividad bidimensional que habíamos descubierto a 40K, "Dijo Tranquada.

Incrementar el campo destruyó aún más la superconductividad 2-D, pero nunca destruyó por completo la capacidad del material para transportar corriente ordinaria.

"La resistencia creció pero luego se estabilizó, "Señaló Tranquada.

¿Signos de pares persistentes?

Las mediciones adicionales realizadas bajo el campo magnético más alto indicaron que los portadores de carga en el material, aunque ya no sea superconductor, puede que todavía exista como pares, Tranquada dijo.

"El material se convierte en un metal que ya no desvía el flujo de corriente, "Tsvelik dijo." Siempre que tenga una corriente en un campo magnético, cabría esperar alguna desviación de las cargas —electrones o huecos— en la dirección perpendicular a la corriente [lo que los científicos llaman efecto Hall]. Pero eso no es lo que pasa. No hay desviación ".

En otras palabras, incluso después de que se destruya la superconductividad, el material conserva una de las firmas clave de la "onda de densidad de pares" que es característica del estado superconductor.

"Mi teoría relaciona la presencia de franjas ricas en carga con la existencia de momentos magnéticos entre ellas con la formación del estado de onda de densidad de pares, ", Dijo Tsvelik." La observación de la desviación sin carga en campo alto muestra que el campo magnético puede destruir la coherencia necesaria para la superconductividad sin destruir necesariamente el par de ondas de densidad ".

"Juntas, estas observaciones proporcionan evidencia adicional de que las rayas son buenas para emparejar, ", Dijo Tranquada." Vemos que la superconductividad 2-D reaparece en campo alto y luego, en un campo aún más alto, cuando perdemos la superconductividad 2-D, el material no se convierte simplemente en un aislante. Todavía fluye algo de corriente. Es posible que hayamos perdido el movimiento coherente de pares entre las rayas, pero todavía podemos tener pares dentro de las franjas que pueden moverse incoherentemente y darnos un comportamiento metálico inusual ".