Las transiciones de fase ocurren cuando una sustancia cambia de un sólido, estado líquido o gaseoso a un estado diferente, como la fusión del hielo o la condensación de vapor. Durante estas transiciones de fase, hay un punto en el que el sistema puede mostrar las propiedades de ambos estados de la materia simultáneamente. Un efecto similar ocurre cuando los metales normales se transforman en superconductores:las características fluctúan y las propiedades que se espera que pertenezcan a un estado se trasladan al otro.

Los científicos de Harvard han desarrollado un superconductor bidimensional que tiene solo un nanómetro de espesor. Al estudiar las fluctuaciones en este material ultrafino a medida que pasa a la superconductividad, los científicos obtuvieron conocimientos sobre los procesos que impulsan la superconductividad de manera más general. Debido a que pueden transportar corrientes eléctricas con una resistencia cercana a cero, a medida que se mejoran, Los materiales superconductores tendrán aplicaciones en prácticamente cualquier tecnología que utilice electricidad.

Los científicos de Harvard utilizaron la nueva tecnología para confirmar experimentalmente una teoría de superconductores de 23 años desarrollada por la científica Valerii Vinokur del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Un fenómeno de interés para los científicos es la reversión completa del bien estudiado efecto Hall cuando los materiales se transforman en superconductores. Cuando un normal, el material no superconductor lleva una corriente aplicada y está sujeto a un campo magnético, se induce un voltaje a través del material. Este efecto Hall normal tiene el voltaje apuntando en una dirección específica dependiendo de la orientación del campo y la corriente.

Curiosamente, cuando los materiales se convierten en superconductores, el signo del voltaje Hall se invierte. El final "positivo" del material se convierte en el "negativo". Este es un fenómeno bien conocido. Pero aunque el efecto Hall ha sido durante mucho tiempo una herramienta importante que los científicos utilizan para estudiar los tipos de propiedades electrónicas que hacen que un material sea un buen superconductor, la causa de este efecto Hall inverso ha sido un misterio para los científicos durante décadas, especialmente en lo que respecta a los superconductores de alta temperatura para los que el efecto es más fuerte.

En 1996, teórico Vinokur, un miembro distinguido de Argonne, y sus colegas presentaron una descripción completa de este efecto (y más) en superconductores de alta temperatura. La teoría tuvo en cuenta todas las fuerzas impulsoras involucradas, e incluía tantas variables que probarlo experimentalmente parecía poco realista, hasta ahora.

"Creíamos que realmente habíamos resuelto estos problemas, "dijo Vinokur, "pero las fórmulas se sintieron inútiles en ese momento, porque incluían muchos parámetros que eran difíciles de comparar con experimentos que usaban la tecnología que existía entonces ".

Los científicos sabían que el efecto Hall inverso es el resultado de vórtices magnéticos que surgen en el material superconductor colocado en el campo magnético. Los vórtices son puntos de singularidad en el líquido de electrones superconductores (pares de Cooper) alrededor de los cuales fluyen los pares de Cooper, creando microcorrientes circulantes superconductoras que aportan características novedosas en la física del efecto Hall en el material.

Normalmente, La distribución de electrones en el material provoca el voltaje Hall, pero en superconductores, los vórtices se mueven bajo la corriente aplicada, lo que crea diferencias de presión electrónica que son matemáticamente similares a las que mantienen un avión en vuelo. Estas diferencias de presión cambian el curso de la corriente aplicada como las alas de un avión cambian el curso del aire que pasa, elevando el avión. El movimiento de vórtice redistribuye los electrones de manera diferente, cambiando la dirección de la tensión Hall a la opuesta a la tensión Hall puramente electrónica habitual.

La teoría de 1996 describió cuantitativamente los efectos de estos vórtices, que sólo se había entendido cualitativamente. Ahora, con un material novedoso que los científicos de Harvard tardaron cinco años en desarrollar, la teoría fue probada y confirmada.

El material delgado a base de bismuto tiene virtualmente solo una capa atómica de espesor, haciéndolo esencialmente bidimensional. Es uno de los únicos de su tipo, un superconductor de película delgada de alta temperatura; La producción del material por sí sola es un avance tecnológico en la ciencia de los superconductores.

"Al reducir las dimensiones de tres a dos, las fluctuaciones de las propiedades en el material se vuelven mucho más aparentes y más fáciles de estudiar, "dijo Philip Kim, científico principal del grupo de Harvard. "Creamos una forma extrema del material que nos permitió abordar cuantitativamente la teoría de 1996".

Una predicción de la teoría fue que el efecto Hall inverso anómalo podría existir fuera de las temperaturas a las que el material es un superconductor. Este estudio ofreció una descripción cuantitativa del efecto que coincidió perfectamente con las predicciones teóricas.

"Antes de estar seguros del papel que juegan los vórtices en el efecto Hall inverso, no pudimos usarlo de manera confiable como herramienta de medición, "dijo Vinokur." Ahora que sabemos que estábamos en lo correcto, podemos usar la teoría para estudiar otras fluctuaciones en la fase de transición, en última instancia, conduce a una mejor comprensión de los superconductores ".

Aunque el material de este estudio es bidimensional, los científicos creen que la teoría se aplica a todos los superconductores. La investigación futura incluirá un estudio más profundo de los materiales; el comportamiento de los vórtices incluso tiene aplicación en la investigación matemática.

Los vórtices son ejemplos de objetos topológicos, u objetos con propiedades geométricas únicas. Actualmente son un tema popular en matemáticas debido a las formas en que se forman y deforman y cómo cambian las propiedades de un material. Las teorías de 1996 utilizaron la topología para describir el comportamiento de los vórtices, y las propiedades topológicas de la materia podrían conllevar mucha nueva física.

"A veces descubres algo nuevo y exótico, "dijo Vinokur sobre la investigación, "pero a veces simplemente confirmas que lo haces, después de todo, comprender el comportamiento de lo cotidiano que está justo frente a usted ".

Un artículo que describe los resultados del estudio, titulado "Efecto Hall de inversión de señal en superconductores atómicamente delgados de alta temperatura, "fue publicado el 21 de junio en Cartas de revisión física .